Die Forscher des NOMAD-Labors haben kürzlich grundlegende mikroskopische Mechanismen beleuchtet, die bei der maßgeschneiderten Herstellung von Materialien für die Wärmeisolierung helfen können. Diese Entwicklung treibt die laufenden Bemühungen zur Verbesserung der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit voran.
Die Rolle des Wärmetransports ist in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen von entscheidender Bedeutung, beispielsweise in der Katalyse, Turbinentechnologien und thermoelektrischen Wärmekonvertern, die Abwärme in Strom umwandeln.
Gerade im Kontext der Energieeinsparung und der Entwicklung nachhaltiger Technologien sind Materialien mit hoher Wärmedämmfähigkeit von größter Bedeutung. Diese Materialien ermöglichen es, Wärme zu speichern und zu nutzen, die sonst verschwendet würde. Daher ist die Verbesserung des Designs hochisolierender Materialien ein zentrales Forschungsziel, um energieeffizientere Anwendungen zu ermöglichen.
Die Konstruktion starker Wärmeisolatoren ist jedoch alles andere als trivial, obwohl die zugrunde liegenden physikalischen Grundgesetze seit fast einem Jahrhundert bekannt sind. Auf mikroskopischer Ebene wurde der Wärmetransport in Halbleitern und Isolatoren als kollektive Schwingung der Atome um ihre Gleichgewichtspositionen im Kristallgitter verstanden. Diese Schwingungen, in der Fachwelt „Phononen“ genannt, betreffen eine große Anzahl von Atomen in festen Materialien und decken daher große, fast makroskopische Längen- und Zeitskalen ab.
In einer kürzlich erschienenen gemeinsamen Veröffentlichung in Körperliche Untersuchung B Und Briefe zur körperlichen UntersuchungForscher des NOMAD-Labors am Fritz-Haber-Institut haben die rechnerischen Möglichkeiten zur Berechnung von Wärmeleitfähigkeiten ohne experimentellen Input mit beispielloser Genauigkeit weiterentwickelt. Sie zeigten, dass das oben erwähnte Phononenbild für starke Wärmeisolatoren nicht geeignet ist.
Mithilfe groß angelegter Berechnungen auf Supercomputern der Max-Planck-Gesellschaft, der Norddeutschen Hochleistungsrechenallianz und des Rechenzentrums Jülich haben sie über 465 kristalline Materialien gescannt, deren Wärmeleitfähigkeit noch nicht gemessen wurde. Neben der Entdeckung von 28 starken Wärmeisolatoren, von denen sechs eine mit Holz vergleichbare extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen, brachte diese Studie auch Licht auf einen bisher typischerweise übersehenen Mechanismus, der es ermöglicht, die Wärmeleitfähigkeit systematisch zu senken.
„Wir haben die vorübergehende Bildung von Defektstrukturen beobachtet, die die Atombewegung für einen extrem kurzen Zeitraum massiv beeinflussen“, sagt Dr. Florian Knoop (heute Universität Linköping), Erstautor beider Publikationen.
„Solche Effekte werden in Wärmeleitfähigkeitssimulationen typischerweise vernachlässigt, da diese Defekte im Vergleich zu typischen Wärmetransportskalen so kurzlebig und mikroskopisch lokalisiert sind, dass man davon ausgeht, dass sie irrelevant sind. Die durchgeführten Berechnungen zeigten jedoch, dass sie niedriger auslösen.“ Wärmeleitfähigkeiten“, fügt Dr. Christian Carbogno, ein leitender Autor der Studien, hinzu.
Diese Erkenntnisse könnten neue Möglichkeiten zur Feinabstimmung und Konstruktion von Wärmeisolatoren auf Nanoebene durch Defekt-Engineering bieten und möglicherweise zu Fortschritten in der energieeffizienten Technologie beitragen.
Mehr Informationen:
Florian Knoop et al., Anharmonicity in Thermal Insulators: An Analysis from First Principles, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.236301
Florian Knoop et al, Ab initio Green-Kubo-Simulationen des Wärmetransports in Festkörpern: Methode und Implementierung, Körperliche Untersuchung B (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.107.224304