Pour la première fois, Le professeur Markus Retsch et son groupe de recherche à l'Université de Bayreuth ont réussi à contrôler avec précision la conductivité thermique en fonction de la température à l'aide de matériaux polymères. Ces matériaux fonctionnels avancés – initialement produits pour des expériences en laboratoire – sont maintenant présentés dans la revue Avancées scientifiques . Les résultats sont d'une grande pertinence pour le développement de nouveaux concepts d'isolation thermique.

Des ailes de papillon aux nouveaux matériaux fonctionnels

Les matériaux polymères permettant de contrôler la conductivité thermique sont des cristaux photoniques. Ils donnent souvent des papillons, coléoptères, et d'autres insectes aux couleurs éclatantes et ont été principalement étudiés en raison de leurs effets optiques. Prof. Dr Markus Retsch, Lichtenberg Junior Professor of Polymer Systems, et son doctorant Fabian Nutz (M.Sc.) ont développé quatre méthodes différentes pour contrôler le transfert de chaleur dépendant de la température dans de tels cristaux photoniques.

Ces méthodes exploitent le fait que les nanomatériaux polymères deviennent plus perméables à la chaleur une fois qu'ils perdent leur nanostructure en franchissant un certain seuil de température. C'est alors que la conductivité thermique des cristaux photoniques monte en flèche à un niveau deux ou trois fois plus élevé qu'avant. Sur cette base, des effets clairement définis sur le transfert thermique peuvent être obtenus via des changements dans la nanostructure des cristaux.

La formation de film augmente la conductivité thermique

Les recherches des scientifiques de Bayreuth ont montré que la température à laquelle la conductivité thermique passe à un niveau supérieur dépend de manière cruciale de la composition des nanoparticules qui composent les cristaux photoniques. Cette température peut être ajustée avec précision en incorporant un plastifiant dans la structure polymère. Que la conductivité thermique change dans une plage de température large ou étroite lorsque la température augmente peut également être contrôlée avec précision :cela ne nécessite que des nanoparticules de taille similaire mais qui diffèrent en ce qui concerne la teneur en plastifiant d'être mélangées de manière égale. Cela conduit à une perte progressive de la nanostructure sur une large plage de températures. Par conséquent, l'augmentation de la conductivité thermique couvre également une plage de température plus large.

En outre, en utilisant une structure en couches, les chercheurs ont également réussi à transformer l'augmentation continue en une augmentation à plusieurs niveaux de la conductivité. En ajustant l'épaisseur des couches de cristal individuelles, on peut également influencer précisément le niveau de conductivité qui est atteint au niveau respectif.

Potentiel pour la technologie énergétique et la gestion thermique

"Ces résultats de recherche démontrent qu'il est en principe possible de réguler la conductivité thermique dans les matériaux nanostructurés avec un degré élevé de précision. Cependant, développer des matériaux permettant de contrôler précisément le transfert thermique n'est qu'un début. Nos découvertes à ce jour sont très encourageantes et ont révélé des concepts intéressants pour la construction de matériaux d'isolation plus économes en énergie. À long terme, ces concepts pourraient être précieux pour le développement de transistors ou de diodes thermiques, " a expliqué le Pr Retsch.

Il a fait, cependant, signalent un obstacle qui doit encore être surmonté :l'augmentation de la conductivité thermique – telle que régulée dans les quatre méthodes développées par l'équipe – est irréversible. Cela signifie que la conductivité reste au niveau atteint même lorsque la température redescend. « Construire des nanosystèmes permettant de contrôler de manière réversible le transfert thermique est une tâche difficile mais passionnante et centrale pour la poursuite des recherches dans ce domaine, " a déclaré le professeur Retsch.