La mousse de polystyrène ou le cuivre, les deux matériaux ont des propriétés très différentes en ce qui concerne leur capacité à conduire la chaleur. Des scientifiques de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères (MPI-P) à Mayence et de l'Université de Bayreuth ont maintenant développé et caractérisé conjointement un roman, matériau extrêmement fin et transparent qui a des propriétés de conduction thermique différentes selon la direction. Bien qu'il puisse conduire la chaleur extrêmement bien dans une direction, il montre une bonne isolation thermique dans l'autre sens.

L'isolation thermique et la conduction thermique jouent un rôle crucial dans notre vie quotidienne - des processeurs informatiques, où il est important de dissiper la chaleur le plus rapidement possible, aux maisons, où une bonne isolation est essentielle pour les coûts énergétiques. Souvent extrêmement léger, des matériaux poreux tels que le polystyrène sont utilisés pour l'isolation, tandis que des matériaux lourds tels que les métaux sont utilisés pour la dissipation de la chaleur. Un matériau nouvellement développé, que les scientifiques du MPI-P ont développé et caractérisé conjointement avec l'Université de Bayreuth, peut maintenant combiner les deux propriétés.

Le matériau se compose de couches alternées de plaques de verre ultra-fines entre lesquelles des chaînes polymères individuelles sont insérées. "En principe, notre matériau ainsi réalisé correspond au principe du double vitrage, " dit Markus Retsch, Professeur à l'Université de Bayreuth. "Cela montre seulement la différence que nous n'avons pas seulement deux couches, mais des centaines."

Une bonne isolation thermique est observée perpendiculairement aux couches. En termes microscopiques, la chaleur est un mouvement ou une oscillation de molécules individuelles dans le matériau qui est transféré aux molécules voisines. En accumulant plusieurs couches les unes sur les autres, ce transfert est réduit :chaque nouvelle couche limite bloque une partie du transfert de chaleur. En revanche, la chaleur à l'intérieur d'une couche peut être bien conduite - il n'y a pas d'interfaces qui bloqueraient le flux de chaleur. Globalement, le transfert de chaleur au sein d'une couche est 40 fois plus élevé que perpendiculairement à celle-ci.

La conductivité thermique le long des couches est comparable à la conductivité thermique de la pâte thermique, qui est utilisé, entre autres, pour appliquer des dissipateurs thermiques aux processeurs d'ordinateur. Pour les matériaux électriquement isolants à base de polymère/verre, cette valeur est exceptionnellement élevée - elle dépasse d'un facteur six celle des plastiques disponibles dans le commerce.

Pour que le matériau fonctionne efficacement et soit également transparent, les couches devaient être réalisées avec une très grande précision – toute inhomogénéité perturberait la transparence à la manière d'une rayure sur un morceau de plexiglas. Chaque couche n'a qu'un millionième de millimètre de haut, c'est-à-dire un nanomètre. Afin d'étudier l'homogénéité de la séquence de couches, le matériel a été caractérisé dans le groupe de Josef Breu, Professeur de chimie inorganique à l'Université de Bayreuth.

"Nous utilisons des rayons X pour éclairer la matière, " dit Breu. " En superposant ces rayons, qui sont réfléchis par les couches individuelles, nous avons pu montrer que les couches pouvaient être réalisées de manière très précise."

Pr Fytas, membre du département du Prof. Hans-Jürgen Butt, a pu donner une réponse à la question de savoir pourquoi cette structure en forme de couche a des propriétés si extraordinairement différentes le long ou perpendiculairement aux plaques de verre individuelles. À l'aide d'une mesure laser spéciale, son groupe a pu caractériser la propagation des ondes sonores, qui est comme la chaleur également liée au mouvement des molécules du matériau. "Ce matériau structuré mais transparent est excellent pour comprendre comment le son se propage dans différentes directions, " dit Fytas. Les différentes vitesses du son permettent de tirer des conclusions directes sur les propriétés mécaniques dépendantes de la direction, qui ne sont accessibles avec aucune autre méthode.

Dans leur travail ultérieur, les chercheurs espèrent mieux comprendre comment la propagation du son et de la chaleur peut être influencée par la structure de la plaque de verre et la composition du polymère. Les chercheurs voient une application possible dans le domaine des diodes électroluminescentes hautes performances, dans laquelle la couche de verre-polymère sert d'une part d'encapsulation transparente et d'autre part peut dissiper la chaleur dégagée latéralement.

Les scientifiques ont maintenant publié leurs résultats dans la célèbre revue Angewandte Chemie—Édition internationale .