Отправной точкой исследования стали фотонные кристаллы, встречающиеся в природе у различных видов насекомых. Например, они ответственны за красочный сверкающий вид крыльев бабочек. Такие кристаллы легко воспроизвести в лаборатории с помощью полимерных наночастиц. У них тонкая, правильная и устойчивая структура.
Эффект от этой хорошо упорядоченной структуры заключается в том, что теплу становится трудно проходить через кристаллы. Теплопроводность низкая.Исследователи из Байройта выяснили, что из таких наночастиц можно производить материалы, которые обладают еще меньшей теплопроводностью.
Эти материалы представляют собой смеси в виде порошка: кристаллический порядок, таким образом, заменяется хаосом, и приятная игра цветов также прекращается. В то время как каждая частица внутри фотонных кристаллов окружена ровно двенадцатью частицами в непосредственной близости, количество непосредственно соседних частиц в смеси неодинаково повсюду. Следовательно, тепло должно идти окольными путями, что еще больше затрудняет проникновение в смесь.
Перетекать с теплой стороны на холодную в хаотической структуре не так просто для тепла, как в хорошо упорядоченных кристаллах.Чтобы полностью прояснить эти отношения, профессор доктор Маркус Ретч и его команда использовали комбинацию лабораторных экспериментов и компьютерного моделирования. Это позволило им подробно изучить, как состав смеси частиц влияет на поток тепла. Наивысший изоляционный эффект достигается при смешивании очень большого количества мелких частиц с меньшим количеством крупных частиц.
Помимо соотношения компонентов смеси, решающую роль играет разница в размерах между двумя типами частиц.«Создать воспроизводимый хаос и описать его с помощью моделирования не так просто, как кажется», — объяснил профессор Ретч о задачах этого исследования. «Было возможно сравнить наши экспериментальные результаты с компьютерным моделированием только потому, что мы смешали наночастицы, поведение которых мы можем очень хорошо контролировать», — сказал он. Таким образом, исследователи из Университета Байройта смогли получить подробные сведения о распределении тепла в неупорядоченных материалах. Эти результаты очень важны для многих приложений, особенно в области теплоизоляции.
Например, они могут помочь улучшить теплоизоляционные характеристики сыпучих порошков. Однако они также предоставляют ценные подсказки для технических приложений, которые, наоборот, полагаются на быстрое и хорошо контролируемое отвод тепла.
Это имеет место, например, при оптимизации промышленных процессов спекания, в которых плавятся крошечные частицы порошка. Главное — точно регулировать температуру в точках плавления, что возможно благодаря улучшенному рассеиванию.