Materialforschung Forscher sind thermischen Superisolatoren auf der Spur

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Die Forscher am „NOMAD“ Laboratory haben jetzt erkannt, wie man grundlegende mikroskopische Mechanismen ausnutzen kann, um Materialien zu entwickeln, die thermisch stark isolieren.

Neue Materialstudien am „NOMAD“ Laboratory, heißt es, tragen wesentlich zu den laufenden Bemühungen bei, Werkstoffe mit höherer energetischer Effizienz zu entwickeln. Denn der Wärmetransport spielt nicht zuletzt eine entscheidende Rolle in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen – unter anderen in der Katalyse, der Turbinentechnologie und bei thermoelektrischen Elementen, die ansonsten ungenutzte Abwärme in Elektrizität umwandeln können. Insbesondere zur Energieeinsparung und somit für eine gesteigerte Nachhaltigkeit sind möglichst gut Wärme isolierende Werkstoffe also von größter Bedeutung.

Solche Materialien ermöglichten es nämlich, Wärme zurückzuhalten und zu nutzen, die sonst verloren gehen würde. Deshalb ist das Design von hoch isolierenden Materialien wichtig. Die Entwicklung von stark thermisch isolierenden Materialien ist allerdings nicht trivial, obwohl die zugrunde liegenden physikalischen Grundgesetze seit fast einem Jahrhundert bekannt sind, wie es weiter heißt. Denn auf mikroskopischer Ebene werde der Wärmetransport in Halbleitern und Isolatoren oft im Rahmen der kollektiven Schwingung der Atome um ihre Gleichgewichtspositionen im Kristallgitter erklärt. Diese Schwingungen, in der Fachsprache als „Phononen“ bezeichnet, umfassen unzählige Atome in festen Materialien und decken deshalb große – nahezu makroskopische – Längen- und Zeitskalen ab.

Gängige Theorie zum Wärmetransport zurechtgerückt

Zwei kürzlich veröffentlichten Studien in den Fachzeitschriften Physical Review B (Editors Suggestions) und Physical Review Letters haben nun die rechnerischen Möglichkeiten zur Berechnung der Wärmeleitfähigkeit vorangetrieben und gezeigt, wie man selbst ohne experimentelles Vorwissen zum Ziel kommen kann. Dabei habe sich herausgestellt, dass das oben genannte Phononen-Modell für starke Wärmeisolatoren nicht unbedingt geeignet sei. Mithilfe von Supercomputern des Max-Planck-Instituts, des Norddeutschen Verbunds für Hoch- und Höchstleistungsrechnen und des Jülich Forschungszentrums haben die Experten nämlich über 465 kristalline Materialien untersucht, für die die Wärmeleitfähigkeit bisher noch nie gemessen wurde. Dabei wurden 28 starke Wärmeisolatoren gefunden, von denen sechs eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit (ähnlich der von Holz) besitzen. Die Studien berücksichtigten auch einen bisher oft übersehenen Mechanismus, mit dem sich Wärmeleitfähigkeiten gezielt senken ließen. Die Forscher erklären, dass die vorübergehende Bildung von Defektstrukturen beobachtet wurde, die die atomare Bewegung für einen äußerst kurzen Zeitraum massiv beeinflussen. Solche Effekte werden in thermischen Leitfähigkeitssimulationen normalerweise vernachlässigt, weil diese Defekte extrem kurz auftreten und auf mikroskopischer Ebene lokalisiert sind, wie es weiter heißt. Und wegen der viel längeren und größeren Skalen beim Wärmetransport, werden solche Effekte oft als irrelevant angesehen. Die durchgeführten Berechnungen haben aber gezeigt, dass auch mikroskopischen Details die Wärmeleitfähigkeit beeinflussen. Diese Erkenntnisse sind der Impuls für die Entwicklung neuer Möglichkeiten, Wärmeisolatoren durch gezielt erzeugte Defekte auf der Nanoskala zu entwerfen, um so letztendlich zur Entwicklung von energieeffizienteren Technologien beizutragen.

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