In isolerende materialen hopt warmte van atoom naar atoom

Warmte kan op twee verschillende manieren door een thermisch isolerend materiaal bewegen. Als een warmtegolf die door het materiaal beweegt of, blijkt nu, door van atoom naar atoom te hoppen. Dit ontdekte een Amerikaanse onderzoeksgroep.

Warmtegeleiding in thermisch isolerende materialen kan op twee manieren verlopen. Door collectieve trillingen van atomen of door warmte die willekeurig van atoom naar atoom hopt. Hierdoor zijn isolatoren in de praktijk vaak minder goed dan ze op papier lijken. Bron: Jill Hemman and Adam Malin/Oak Ridge National Laboratory, US Dept. of Energy

Sommige materialen zijn uitzonderlijk goed in warmte tegenhouden, zoals hout, wol en glas. Deze thermische isolatoren worden niet alleen ingezet om huizen te isoleren. Ze worden ook gebruikt op de kleine schaal. Zo is er bij elektronische dataopslag vraag naar dunne, kleine materialen die de warmte goed tegenhouden.

Hoppende warmte

Wetenschappers weten niet wat de grenzen en mogelijkheden zijn van isolerende materialen. Het is namelijk niet bekend hoe warmte precies door materialen beweegt. Uit nieuw onderzoek blijkt voor het eerst dat warmte op twee manieren door isolatoren beweegt.

De bekende manier is collectieve trillingen. Door het gezamenlijk trillen van atomen verspreidt de warmte zich als een golf door het materiaal.

Nu blijkt warmte zich ook te verspreiden door willekeurig van atoom naar atoom te hoppen. ‘Bij het hoppen trillen de atomen in het materiaal ook’, zegt mede-auteur Saikat Mukhopadhyay, voormalig postdoc aan Oak Ridge National Laboratory (ORNL). ‘Maar dan willekeurig, in plaats van collectief zoals bij de warmtegolf.’

‘Doordat het willekeurige hoppen warmte verplaatst, is het een manier van warmtegeleiding’, zegt Mukhopadhyay. Materialen waarbij dit een rol speelt, zijn dus slechtere isolatoren dan je op papier zou verwachten.

Al in 1911 stelde Einstein voor dat warmte in een thermische isolator volkomen willekeurig heen en weer hopt van atoom naar atoom. Het idee van hoppende hitte is dus niet nieuw, de observatie ervan wel.

Trage warmte

De onderzoekers keken naar een op thallium gebaseerd materiaal. Dit is een goed isolerend materiaal waarbij de collectieve trilling zich beperkt tot enkele atomen. Met vibratiemetende apparatuur maten ze de beweging van de atomen. En met een supercomputer simuleerden ze de weg die de warmte aflegt door het materiaal.

Uit de experimenten bleek dat het materiaal twee keer slechter isoleert dan de berekeningen voorspellen. ‘In eerste instantie waren we verbijsterd’, zegt materiaalwetenschapper Lucas Lindsay van ORNL. Maar al snel vonden ze een verklaring. Het niet eerdere waargenomen hoppen van warmte bleek de oorzaak.

Het hop-effect is alleen meetbaar aanwezig in extreem goede isolatoren. Het is namelijk een klein effect dat alleen een rol speelt als de andere vorm van warmtegeleiding bijna afwezig is.

‘Onze bevindingen hebben belangrijke gevolgen voor het beoordelen van isolatiematerialen’, zegt Mukhopadhyay. ‘Sommige isolatoren blijken in de praktijk namelijk minder goed dan ze op papier lijken.’ Dankzij het onderzoek kunnen betere voorspellingen gedaan worden.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder:

Over de auteur

Dorine Schenk

Dorine Schenk is freelance wetenschapsjournalist voor o.a. NRC en New Scientist. Ze studeerde (astro-)deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast houdt ze van hardlopen. Volg haar op Twitter via @dorineschenk.



Plaats een reactie