一种兼具隔热与导热性能的新材料

聚苯乙烯泡沫塑料（Styrofoam）和铜这两种材料在导热性能方面有巨大差异。位于德国美因茨的马克斯·普朗克聚合物研究所（MPI-P）和拜罗伊特大学（University of Bayreuth）的科学家们一起研发并表征了一种新型极薄且透明的材料，其导热性能取决于方向。尽管它在一个方向上可以很好地导热，但在另一个方向上却显示出很好的隔热性能。

隔热和导热在我们的日常生活中起着至关重要的作用——从计算机处理器（快速散热很重要）到房屋（良好的隔热是降低能源成本的关键）。通常极轻的多孔材料（如聚苯乙烯）用于隔热，而重质材料（如金属）用于散热。MPI-P与Bayreuth大学的科学家们共同开发了一种新材料，并对其进行了表征，此种材料能够将这两种特性结合起来。

这种材料由超薄玻璃板层层交替构成，并在层与层之间插入了单个的聚合物链。拜罗伊特大学（University of Bayreuth）的Markus Retsch教授表示：“原则上，我们生产该材料的方法和双层玻璃的原理一致。”“不同点是，我们不是只有两层，而是有数百层。”

垂直于各层的方向上可观察到良好的隔热性能。从微观上来说，热量是材料中单个分子的运动或振动，并传递给相邻分子的过程。通过将许多层叠加在一起，可以减少传热：每一层新的边界层都阻挡了部分热传递。相比之下，单层内的热量就可以很好地传导——因为没有界面会阻碍热量的流动。总体而言，单层内的传热比垂直于层的传热要高40倍。

沿层的热导率与导热膏（thermal paste）的热导率相当，导热膏常用于计算机处理器中的散热器。对于这种聚合物/玻璃的电绝缘材料，热导率值非常高，超过商用塑料的6倍。

为了使材料有效且透明，这些层必须以非常高的精度生产，任何不均匀都会干扰透明度，就像在一块有机玻璃上产生划痕一样。每一层只有百万分之一毫米高，即一纳米。为了研究层序的均匀性，拜罗伊特大学无机化学教授Josef Breu的团队对该材料进行了表征。

“我们用X射线照射材料。” Breu说，“这些光线会被单独的层反射，叠加的光线能够表明这些层是非常精确地生产的。”

Hans-Jürgen Butt教授所在系的成员Fytas教授能够回答为什么这种层状结构沿着或垂直于单层玻璃板会具有如此不同的特性。利用一种特殊的基于激光的测量方法，他的团队能够表征声波的传播特性，像热传递一样也与材料中分子的运动有关。Fytas说：“这种结构化而又透明的材料非常适合理解声音在不同方向上的传播方式。”根据不同的声速可以直接得出与方向有关的力学性质的结论，这是任何其他方法都无法得到的。

研究人员希望在进一步的工作中更好地了解玻璃板和聚合物的组成结构如何影响声音和热量的传播。他们看到了在高性能发光二极管领域的可能性应用，其中玻璃聚合物层一方面可作透明封装，另一方面又可以横向散热。

科学家们现已将其结果发表在国际知名的Angewandte Chemie杂志上。(西北有色金属研究院 刘凡编辑 朱宏康审核)

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