Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wärme auf Wanderschaft

12.02.2014
Augsburger NIM-Physiker sind der ungewöhnlichen Wärmeverteilung in eindimensionalen Körpern auf die Spur gekommen

In Körpern verbreitet sich Wärme gleichmäßig gemäß dem Fourierschen Gesetz. Für zwei- und eindimensionale Objekte wie Filme oder feinste Drähte scheinen aber andere Regeln zu gelten. Ein Team von Wissenschaftlern der Nanosystems Initiative Munich (NIM) unter Leitung des Augsburger Physikers Peter Hänggi ist diesen jetzt auf die Spur gekommen.


Anomale Wärmediffusion in 1D- und 2D-Strukturen
Grafik: NIM/IfP

Wie die Glut durch ein Stück Kohle wandert, so diffundiert Wärme grundsätzlich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit. Das dazugehörige Fouriersche Gesetz haben Physiker bereits vor 200 Jahren formuliert. Später erkannte man freilich bei Experimenten mit Kohlenstoff-Nanoröhren oder organischen Molekülketten, dass für die Wärmeverteilung in zwei- oder eindimensionalen Objekten offenbar andere Regeln gelten. So hängt in Filmen oder sehr dünnen Drähten etwa die Wärmeleitfähigkeit nicht allein vom Material ab, sondern auch von der Größe beziehungsweise der Länge des jeweiligen Objekts. Bei manchen Werkstoffen nimmt die Wärmeleitfähigkeit mit der Länge zu, bei anderen hingegen ab. Ein physikalisches Gesetz, das dem Fourierschen entspräche, konnte bisher jedoch niemand aus diesen Beobachtungen ableiten.

Allgemeingültiger mathematischer Zusammenhang

Der Augsburger NIM-Physiker Professor Peter Hänggi und sein Team sind einem solchen Gesetz gemeinsam mit Kollegen aus Singapur, Shanghai und Los Alamos jetzt einen Schritt näher gekommen. In den Physical Review Letters berichten sie über ihre Entdeckung eines allgemeingültigen mathematischen Zusammenhangs zwischen der von der Objektlänge abhängigen Wärmeleitfähigkeit und der dazugehörigen anomalen Geschwindigkeit für Wärmediffusion.

Hybrid-Materialien mit neuartigen Wärmeeigenschaften

Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, um Hybrid-Materialien zu planen, die in ein- und zweidimensionaler Form ganz neuartige Wärmeeigenschaften aufweisen. Genutzt werden kann dabei, dass die Wärmediffusion in diesen Fällen für verschiedene Materialzusammensetzungen stark erhöht, aber auch stark reduziert sein kann. Dementsprechend kann das eine Material Wärme extrem schnell abfließen lassen, während das andere als Wärmespeicher funktioniert. Diese theoretischen Berechnungen sind vor allem für Objekte im Nanometerbereich interessant, deren Wärmeverhalten experimentell nur schwer zu messen ist. Gegenwärtig werden aus Karbonmaterialien zusammengesetzte Nanostrukturen auf dem Rechner simuliert, die als phononische Dioden oder auch als Wärmespeicher (Memory) funktionieren sollen. Mit solchen Elementen könnte dann analog zu elektronischen Bauteilen Informationsverarbeitung betrieben werden.

Computer, die mit Abfallwärme funktionieren?

„Das Studium der Wärmediffusion in niedrigen Dimensionen steht noch am Anfang, es birgt sicherlich noch viele Überraschungen, aber auch ein großes Potential. So könnte etwa die allgegenwärtige abträgliche Verlustwärme nutzbringend für Funktionsmaterialien oder für phononische Informationsverarbeitung eingesetzt werden. Vielleicht", so Peter Hänggi, "wird ja der Traum von einem mit Abfallwärme funktionierenden Computer in der ferneren Zukunft tatsächlich Wirklichkeit.“

Publikation:

Anomalous Heat Diffusion. Sha Liu, Peter Hänggi, Nianbei Li, Jie Ren, and Baowen Li. Phys. Rev. Lett. 112: 040601 (2014)

http://prl.aps.org/abstract/PRL/v112/i4/e040601

Kontakt:

Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Peter Hänggi
Lehrstuhl für Theoretische Physik I
Institut für Physik
Universität Augsburg
86135 Augsburg
Telefon +49(0)821-598-3250
hanggi@physik.uni-augsburg.de

Klaus P. Prem | idw
Weitere Informationen:
http://www.nano-initiative-munich.de/de/
http://www.uni-augsburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften