От крыльев бабочек до новых функциональных материаловПолимерные материалы, позволяющие контролировать теплопроводность, представляют собой фотонные кристаллы.
Они часто придают бабочкам, жукам и другим насекомым ослепительные цвета и в основном исследовались из-за их оптических эффектов. Профессор доктор Маркус Ретч, младший профессор кафедры полимерных систем в Лихтенберге, и его докторант Фабиан Нутц (магистр наук) разработали четыре различных метода управления температурно-зависимой теплопередачей в таких фотонных кристаллах.Эти методы используют тот факт, что полимерные наноматериалы становятся более теплопроницаемыми, когда они теряют свою наноструктуру при переходе через определенный температурный порог. Именно тогда теплопроводность фотонных кристаллов резко возрастает до уровня, который в два-три раза выше, чем был раньше.
Исходя из этого, можно добиться четко определенных эффектов теплопередачи за счет изменения наноструктуры кристаллов.Образование пленки увеличивает теплопроводностьИсследования ученых из Байройта показали, что температура, при которой теплопроводность переходит на более высокий уровень, в решающей степени зависит от состава наночастиц, из которых состоят фотонные кристаллы. Эту температуру можно точно регулировать, добавляя пластификатор в структуру полимера.
Также можно точно контролировать изменение теплопроводности в широком или узком температурном диапазоне при повышении температуры: для этого требуется, чтобы наночастицы одинакового размера, но различались по содержанию пластификатора, были равномерно перемешаны. Это приводит к постепенной потере наноструктуры в широком диапазоне температур.
Следовательно, увеличение теплопроводности также охватывает больший температурный диапазон.Кроме того, используя слоистую структуру, исследователям также удалось преобразовать непрерывное увеличение в многоуровневое увеличение проводимости.
Регулируя толщину отдельных кристаллических слоев, можно также точно влиять на уровень проводимости, достигаемый на соответствующем уровне.Возможности для энергетических технологий и управления температурным режимом«Эти результаты исследования демонстрируют, что в принципе можно регулировать теплопроводность в наноструктурированных материалах с высокой степенью точности. Однако разработка материалов, которые позволяют точно контролировать теплопередачу, — это только начало. Наши результаты на сегодняшний день очень обнадеживают и выявили интересные концепции создания более энергоэффективных изоляционных материалов.
В долгосрочной перспективе эти концепции могут оказаться полезными для разработки тепловых транзисторов или диодов », — пояснил профессор Ретч.Однако он указал на одно препятствие, которое все еще необходимо преодолеть: увеличение теплопроводности — как это регулируется четырьмя методами, разработанными командой — необратимо.
Это означает, что проводимость остается на достигнутом уровне, даже когда температура снова падает. «Создание наносистем, позволяющих обратимо управлять теплопередачей, является сложной, но захватывающей и центральной задачей для дальнейших исследований в этой области», — сказал профессор Ретч.