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 Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Astrophysik

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

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: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften