Wärmetransport
Wärmemanagment der nächsten Generation
Der Wärmetransport in nano- und mesostrukturierten Materialien spielt bei vielen technologischen Anwendungen eine wichtige Rolle. Effiziente Isolierung sowie effiziente Wärmeableitung stehen im Mittelpunkt vieler aktueller Forschungsanstrengungen. Im Rahmen einer Lichtenberg Professur der Volkswagen Stiftung haben wir viele grundlegende Wärmetransportphänomene in kolloidalen Materialien untersucht. Gleichzeitig haben wir eine Vielzahl fortschrittlicher Charakterisierungsmethoden etabliert, mit denen dünne Materialien und mesostrukturierte Filme untersucht werden können. Aufbauend auf diesen Arbeiten untersuchen wir nun anisotrope Transportphänomene sowie schaltbare und stimuli-responsive Systeme.
Die Vision, den Wärmefluss, d.h. den Transport von Phononen, zu kontrollieren, wird in Analogie zur Elektronik als "Phononik" bezeichnet und wird für zukünftige Technologien von großer Bedeutung sein, so wie es die Elektronik in den letzten 50 Jahren war. Gerade die Rolle von Grenzflächen, der mikroskopischen Materialzusammensetzung und ihrer Nanostrukturierung ist maßgeblich für den effektiven Wärmetransport verantwortlich.
Daher dienen kolloidale Kristalle als Modellsystem wegen ihrer wohldefinierten Struktur zusammen mit einer großen Variabilität der Längenskalen und der Materialzusammensetzung. Wir untersuchten kolloidale Polystyrol-Kristalle, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit von ~ 51 mWm-1K-1 bei einer vergleichsweise hohen Dichte (740 kgm-3) aufweisen. Die offene, poröse Struktur (< 200 nm) macht solche Teilchenanordnungen ziemlich unempfindlich gegenüber der umgebenden Atmosphäre. Gleichzeitig hat die Filmbildung einen extrem großen Effekt auf den effektiven Wärmetransport, der bei Überschreiten der Glasübergangstemperatur sprunghaft ansteigt. Der spezifische Aufbau kolloidaler Mesostrukturen ist zudem geeignet spezifische programmierte Sprünge in der Wärmeleitfähigkeit zu realisieren.
Mit hohlen Silika-Nanopartikeln untersuchten wir eine weitere hochporöse und hochisolierende Materialklasse. In Analogie zu Aerogelen ist es hier möglich extrem effiziente thermische Isolatoren herzustellen. Die gute Strukturkontrolle in hohlen Silikananopartikeln ermöglichte außerdem die Ausarbeitung klarer Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, die die Bedeutung der Adhäsion zwischen benachbarten Partikeln unterstreicht.
Wir dehnen diese Untersuchungen nun auf eine Vielzahl anderer, gut definierter kolloidaler Systeme aus, die von eindimensionalen bis zu dreidimensionalen Systemen reichen. Auf kleinsten Längenskalen arbeiten wir mit exfolierten Schichtsilikaten, Einzelfasern und Faserbündeln bis hin zu 3D gedruckten Formkörpern.
Wir verwenden einen großen Teil unserer Arbeit auf die Entwicklung, Anpassung und Optimierung spezifischer Messmethoden. Gegenwärtig sind dies die Laserblitzanalyse (LFA), eine transiente Wärmeflussmessung, die Thermoreflexion im akustischen Frequenzbereich, die Lock-in-Thermografie (LIT) und die photoakustische Charakterisierung (PA). So sind wir nun in der Lage für einen sehr großen Material- und Probengeometriebereich thermische Transporteigenschaften zu bestimmen. Highlights sind unter anderem anisotrope Messungen (auch innerhalb einer Probenebene), die Variation von Temperatur und Druck, sowie die Messung unter externer Stimulation, z.B. durch Licht. Die experimentellen Techniken werden durch die Modellierung unserer Hybridstrukturen, insbesondere durch FEM-Simulationen basierend auf COMSOL®, unterstützt.
Finanzierung
- Volkswagen foundation - Lichtenberg Professorship
- Deutsche Forschungsgemeinschaft SFB840 - TP B7
- Deutsche Forschungsgemeinschaft - Sachbeihilfe
