Desarrollado un nuevo material con diferentes propiedades de conducción térmica

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21/01/2020

Los científicos del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros (MPI-P) en Mainz y la Universidad de Bayreuth han desarrollado y caracterizado conjuntamente un nuevo material con diferentes propiedades de conducción térmica según la dirección, extremadamente delgado y transparente. Si bien puede conducir el calor extremadamente bien en una dirección, muestra un buen aislamiento térmico en la otra dirección.

El aislamiento térmico y la conducción térmica desempeñan un papel crucial en nuestra vida cotidiana; desde los procesadores de computadora, donde es importante disipar el calor lo más rápido posible, hasta las viviendas en las que, un buen aislamiento, es esencial para reducir el consumo energético.

Capas alternas de placas de vidrio

A menudo, los materiales porosos extremadamente ligeros, como el poliestireno, se utilizan para el aislamiento, mientras que los materiales pesados, como los metales, se utilizan para la disipación del calor. Un material recientemente desarrollado, que los científicos del MPI-P han desarrollado y caracterizado conjuntamente con la Universidad de Bayreuth, ahora puede combinar ambas propiedades.

El material consiste en capas alternas de placas de vidrio delgadas como obleas entre las cuales se insertan cadenas de polímeros individuales. «En principio, nuestro material producido de esta manera corresponde al principio del doble acristalamiento«, dice Markus Retsch, profesor de la Universidad de Bayreuth. «Solo muestra la diferencia de que no solo tenemos dos capas, sino cientos».

Se observa un buen aislamiento térmico perpendicular a las capas. En términos microscópicos, el calor es un movimiento u oscilación de moléculas individuales en el material que se transfiere a las moléculas vecinas. Al construir muchas capas una encima de la otra, esta transferencia se reduce: cada nueva capa límite bloquea parte de la transferencia de calor. En contraste, el calor dentro de una capa se puede conducir bien, no hay interfaces que bloqueen el flujo de calor. En general, la transferencia de calor dentro de una capa es 40 veces mayor que la perpendicular a ella. La conductividad térmica a lo largo de las capas es comparable a la conductividad térmica de la pasta térmica, que se utiliza, entre otras cosas, para aplicar disipadores de calor a los procesadores de la computadora. Para los materiales eléctricamente aislantes a base de polímero / vidrio, este valor es excepcionalmente alto: excede el de los plásticos disponibles comercialmente en un factor de seis.

Rayos X para iluminar el material

Para que el material funcionara eficientemente y también fuera transparente, las capas debían producirse con una precisión muy alta: cualquier falta de homogeneidad perturbaría la transparencia de manera similar a un rasguño en una pieza de plexiglás. Cada capa tiene solo una millonésima de milímetro de alto, es decir Un nanómetro. Para investigar la homogeneidad de la secuencia de capas, el material se caracterizó en el grupo de Josef Breu, profesor de química inorgánica en la Universidad de Bayreuth. «Utilizamos rayos X para iluminar el material», dice Breu. «Al superponer estos rayos, que se reflejan en las capas individuales, pudimos demostrar que las capas se pueden producir con mucha precisión».

El profesor Fytas, miembro del grupo de investigación del profesor H.-J. Butt, pudo responder a la pregunta de por qué esta estructura en forma de capa tiene propiedades tan extraordinariamente diferentes a lo largo o perpendiculares a las placas de vidrio individuales.

Utilizando una medición especial basada en láser, su grupo pudo caracterizar la propagación de ondas de sonido, que es como el calor también relacionado con el movimiento de las moléculas del material. «Este material estructurado pero transparente es excelente para comprender cómo se propaga el sonido en diferentes direcciones», dice Fytas. Las diferentes velocidades del sonido permiten sacar conclusiones directas sobre las propiedades mecánicas dependientes de la dirección, que no son accesibles con ningún otro método.

En su trabajo posterior, los investigadores esperan obtener una mejor comprensión de cómo la estructura de la placa de vidrio y la composición del polímero pueden influir en la propagación del sonido y el calor. Los investigadores ven una posible aplicación en el campo de los diodos emisores de luz de alto rendimiento, en los que la capa de polímero de vidrio sirve, por un lado, como una encapsulación transparente y, por otro lado, puede disipar el calor liberado lateralmente.

Los científicos ahora han publicado sus resultados en la reconocida revista «Angewandte Chemie – Edición internacional».

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