Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Anzeichen für unbegrenzte Wärmeübertragung

08.05.2014

Physiker des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung zeigen unbegrenzte Wärmeleitung in Graphen.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) aus Mainz und der National University Singapur haben bewiesen, dass die Wärmeleitfähigkeit nicht konstant ist, sondern mit der Länge einer Graphenschicht zunimmt. Diese Erkenntnis steht im Gegensatz zu den fundamentalen physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung.

Davide Donadio, Leiter einer Max-Planck-Forschungsgruppe am MPI-P, und seine Partner aus Singapur konnten dieses Phänomen mit Computersimulationen prognostizieren und in Experimenten nachweisen. Ihre Forschungsarbeit und deren Ergebnisse haben sie nun im Fachjournal "Nature Communications" vorgestellt.

"Wir haben Mechanismen des Wärmetransports erkannt, die in der Mikrometerskala tatsächlich den Gesetzen von Fourier widersprechen. Nun müssen alle bisher experimentell ermittelten Messergebnisse für Graphen neu interpretiert werden. Die Idee der Wärmeleitfähigkeit als materialspezifische Konstante trifft auf Graphen nicht zu", sagt Davide Donadio.

Stoffkonstante doch veränderlich

Der französische Physiker Joseph Fourier hatte die Gesetze der Wärmeausbreitung in Festkörpern postuliert. Demnach ist die Wärmeleitfähigkeit eine intrinsische Materialeigenschaft, die im Normalfall nicht von Größe oder Form abhängt. Bei Graphen, einer zweidimensionalen Schicht aus Kohlenstoffatomen, verhält es sich anders, wie die Wissenschaftler jetzt herausgefunden haben.

Mit Experimenten und computergestützten Simulationen stellten sie fest, dass die Wärmeleitfähigkeit logarithmisch mit der Vergrößerung einer Graphenschicht anwächst. Das bedeutet, je länger die Graphenschicht ist, desto mehr Wärme kann sie pro Längeneinheit transportieren. Dies ist eine weitere, außergewöhnliche Eigenschaft des als Wunderstoff gepriesenen Materials: Graphen ist chemisch sehr stabil, dabei dehnbar, aber hundertfach reißfester als Stahl, zudem ultraleicht und gleichzeitig sehr hart.

Bisher war es auch als guter Wärmeleiter bekannt. Neu ist, dass sich die bisher als Stoffkonstante betrachtete Wärmeleitfähigkeit bei Graphen mit zunehmender Länge ändert. Donadio machte die zweidimensionale Struktur und die steifen chemischen Bindungen dafür verantwortlich. Im Ungleichgewichtszustand können sich die thermischen Schwingungen fasst ohne Energieverlust ausbreiten.

Optimale Kühlung für die Nanoelektronik

Wärme ist in der Mikro- und Nanoelektronik der limitierende Faktor für leistungsfähigere und kleinere Bauteile. Deshalb bergen Materialien mit faktisch unbegrenzter Wärmeleitfähigkeit enormes Potenzial für Anwendungen dieser Art. Werkstoffe mit außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften, die sich passiv, also von selbst kühlen, wie es bei Graphen der Fall sein könnte, sind der Traum jedes Elektronikingenieurs.

Der aus Norditalien stammende Donadio beschäftigte sich bereits während seines Studiums in Mailand sowie bei seinen Forschungsaufenthalten an der ETH Zürich (Schweiz) und der University of California in Davis (USA) mit Nanostrukturen aus Kohlenstoff, Kristallisationsprozessen und thermoelektrischen Materialien. Seit 2010 untersucht er mit seiner Max-Planck-Forschungsgruppe am MPI-P u.a. den Wärmetransport in Nanostrukturen mit Methoden der theoretischen Physik und Simulationen des atomaren Verhaltens von Stoffen.

Weitere Informationen:

http://www.mpip-mainz.mpg.de/news/unbegrenzte_waermeuebertragung - Pressemiteilung und Originalpublikation
http://www.mpip-mainz.mpg.de/theory_nanostructures - Information über die Forschung von Davide Donadio
http://www.mpip-mainz.mpg.de - das Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Stephan Imhof | Max-Planck-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Raumschrott im Fokus
20.05.2018 | Universität Bern

nachricht Countdown für Kilogramm, Kelvin und Co.
18.05.2018 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

Passt eine ultrakalte Wolke aus zehntausenden Rubidium-Atomen in ein einzelnes Riesenatom? Forscherinnen und Forschern am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist dies erstmals gelungen. Sie zeigten einen ganz neuen Ansatz, die Wechselwirkung von geladenen Kernen mit neutralen Atomen bei weitaus niedrigeren Temperaturen zu untersuchen, als es bisher möglich war. Dies könnte einen wichtigen Schritt darstellen, um in Zukunft quantenmechanische Effekte in der Atom-Ion Wechselwirkung zu studieren. Das renommierte Fachjournal Physical Review Letters und das populärwissenschaftliche Begleitjournal Physics berichteten darüber.*)

In dem Experiment regten die Forscherinnen und Forscher ein Elektron eines einzelnen Atoms in einem Bose-Einstein-Kondensat mit Laserstrahlen in einen riesigen...

Im Focus: Algorithmen für die Leberchirurgie – weltweit sicherer operieren

Die Leber durchlaufen vier komplex verwobene Gefäßsysteme. Die chirurgische Entfernung von Tumoren ist daher oft eine schwierige Aufgabe. Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS hat Algorithmen entwickelt, die die Bilddaten von Patienten analysieren und chirurgische Risiken berechnen. Leberkrebsoperationen werden damit besser planbar und sicherer.

Jährlich erkranken weltweit 750.000 Menschen neu an Leberkrebs, viele weitere entwickeln Lebermetastasen aufgrund anderer Krebserkrankungen. Ein chirurgischer...

Im Focus: Positronen leuchten besser

Leuchtstoffe werden schon lange benutzt, im Alltag zum Beispiel im Bildschirm von Fernsehgeräten oder in PC-Monitoren, in der Wissenschaft zum Untersuchen von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchenstrahlen. Gleich ob Teilchen oder Antiteilchen – treffen sie auf einen Leuchtstoff auf, regen sie ihn zum Lumineszieren an. Unbekannt war jedoch bisher, dass die Lichtausbeute mit Elektronen wesentlich niedriger ist als mit Positronen, ihren Antiteilchen. Dies hat Dr. Eve Stenson im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching und Greifswald jetzt beim Vorbereiten von Experimenten mit Materie-Antimaterie-Plasmen entdeckt.

„Wäre Antimaterie nicht so schwierig herzustellen, könnte man auf eine Ära hochleuchtender Niederspannungs-Displays hoffen, in der die Leuchtschirme nicht von...

Im Focus: Erklärung für rätselhafte Quantenoszillationen gefunden

Sogenannte Quanten-Vielteilchen-„Scars“ lassen Quantensysteme länger außerhalb des Gleichgewichtszustandes verweilen. Studie wurde in Nature Physics veröffentlicht

Forschern der Harvard Universität und des MIT war es vor kurzem gelungen, eine Rekordzahl von 53 Atomen einzufangen und ihren Quantenzustand einzeln zu...

Im Focus: Explanation for puzzling quantum oscillations has been found

So-called quantum many-body scars allow quantum systems to stay out of equilibrium much longer, explaining experiment | Study published in Nature Physics

Recently, researchers from Harvard and MIT succeeded in trapping a record 53 atoms and individually controlling their quantum state, realizing what is called a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

Visual-Computing an Bord der MS Wissenschaft

17.05.2018 | Veranstaltungen

Tagung »Anlagenbau und -betrieb der Zukunft«

17.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

18.05.2018 | Physik Astronomie

Countdown für Kilogramm, Kelvin und Co.

18.05.2018 | Physik Astronomie

Wie Immunzellen Bakterien mit Säure töten

18.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics