Wär­men­des Chaos

Computersimulationen der Wärme­aus­brei­tung. Die Wärme kann die geordnete Struktur leicht durch­dringen (links). Chaotische Partikel­packungen behindern die Wärme­aus­breitung (rechts; Bild: M. Retsch, U. Bayreuth)

Pulver eignen sich hervorragend für die Wärme­dämmung, wenn darin ein Durch­ein­ander von unter­schied­lich großen Nano­partikeln herrscht. Das hat eine Forschungs­gruppe von Markus Retsch an der Uni Bayreuth jetzt heraus­ge­funden. Die Wissen­schaftler haben ent­deckt, wie die Wärme­leit­fähig­keit von Pulvern durch Ordnung und Unord­nung ihrer Bestand­teile beein­flusst wird. Aus­gangs­punkt der Forschungs­arbeiten waren photo­nische Kristalle, die man in der Natur von ver­schie­denen Insekten­arten her kennt. Sie ver­leihen beispiels­weise den Flügeln von Schmetter­lingen ihr buntes, schil­lerndes Aus­sehen. Solche Kristalle lassen sich im Labor durch poly­mere Nano­partikel leicht nach­bauen. Sie besitzen eine feine, regel­mäßige und stabile Struktur. Diese wohl­geord­nete Struktur bewirkt, dass Wärme nur schwer durch die Kristalle hin­durch­fließen kann. Die Wärme­leit­fähig­keit ist gering.

Retsch und seine Mitarbeiter haben herausgefunden, dass aus solchen Nano­partikeln Materi­alien her­ge­stellt werden können, die eine noch viel gerin­gere Wärme­leit­fähig­keit auf­weisen. Bei diesen Materi­alien handelt es sich um pulver­förmige Mischungen: Anstelle der kristal­linen Ordnung herrscht jetzt Unord­nung, und auch das attrak­tive Farben­spiel ist dahin. Während im Innern der photo­nischen Kristalle jeder Partikel von genau zwölf Partikeln in seiner direkten Nach­bar­schaft um­geben ist, ist die Anzahl der direkten Nach­barn in der Mischung durch­weg unein­heit­lich. Deshalb muss die Wärme Umwege in Kauf nehmen und hat es umso schwerer, die Mischung zu durch­dringen. Von der warmen zur kalten Seite hin abzu­fließen, ist für die Wärme in einer chao­tischen Struktur noch schwieriger als im wohl­geord­neten Kristall.

Um diese Zusammenhänge vollständig aufzuklären, haben Retsch und sein Team Experi­mente im Labor mit Simu­la­tionen am Rechner kombi­niert. So konnten sie im Detail ermit­teln, wie sich die Zusammen­setzung der Partikel­mischung auf den Durch­fluss von Wärme aus­wirkt. Der höchste Isola­tions­effekt wird erreicht, wenn wenige große Partikel mit sehr vielen klei­neren Partikeln ver­mischt werden. Neben diesem Mischungs­ver­hältnis spielt auch der Größen­unter­schied zwischen den beiden Partikel­sorten eine ent­schei­dende Rolle.

„Es ist gar nicht so einfach, Unordnung reproduzierbar her­zu­stellen und durch Simu­la­tionen zu beschreiben“, erläutert Retsch die Heraus­forde­rungen dieser Studie. „Nur weil wir Nano­partikel ver­mischt haben, deren Ver­halten wir sehr gut kontrol­lieren können, war es mög­lich, unsere experi­men­tellen Ergeb­nisse mit Computer­simu­la­tionen zu ver­gleichen.“ Auf diesem Weg gewannen die Forscher detail­lierte Ein­blicke in die Aus­brei­tung von Wärme in unge­ord­neten Materi­alien. Diese Erkennt­nisse sind für viele Anwen­dungen von großer Bedeu­tung, insbe­sondere auf dem Gebiet der Wärme­dämmung. So könnte beispiels­weise die Wärme­isola­tions­fähig­keit von Pulver­schüt­tungen ver­bessert werden. Aber auch für tech­nische Anwen­dungen, die umge­kehrt auf eine rasche und gut kontrol­lier­bare Ablei­tung von Wärme ange­wiesen sind, ergeben sich wert­volle Anhalts­punkte. Das gilt beispiels­weise für die Opti­mie­rung indus­tri­eller Sinter­ver­fahren, bei denen winzige Pulver­teil­chen ver­schmolzen werden. Hier kommt es darauf an, die Tempe­ratur an den Schmelz­punkten genau zu regu­lieren, was durch die ver­bes­serte Ablei­tung von Wärme mög­lich ist. (Quelle: U. Bayreuth / pro-physik.de)

Referenz: F. A. Nutz et al.: Low Thermal Conductivity through Dense Particle Packings with Optimum Disorder, Adv. Mat., online 27. Februar 2018; DOI: 10.1002/adma.201704910

Link: AG Retsch, Fklt. für Biologie, Chemie und Geowissenschaften, Universität Bayreuth

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