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Physiker entdecken Material für effizienteren Energiespeicher

18.12.2015

Vorhersagen von Physikern der Universität Luxemburg führten vor kurzem zur Entdeckung eines Materials mit besonderen elektrischen Eigenschaften, das das Interesse der Kunststoffindustrie weckte. Schon vor drei Jahren hatten die Luxemburger Physiker das ungewöhnliche elektrische Verhalten eines bestimmten Material-Gemisches theoretisch vorhergesagt. Diese Berechnungen konnten nun durch ein Experiment in Kooperation mit dem „Centre de Recherche Paul Pascal“ in Bordeaux in Frankreich bestätigt werden.

Sie führten zur Entdeckung eines sogenannten High-k-Materials, das die Produktion besserer Energiespeicher, welche die Grundlage für kleinere, schnellere und effizientere Elektronik sind, ermöglichen könnte.


Graphenplättchen im Kunststoff-Graphen-Gemisch

Universität Luxemburg

Die damaligen Berechnungen des Teams rund um Tanja Schilling, Professorin für Physik an der Universität Luxemburg, waren zunächst keine so gute Nachricht für die Werkstoffforschung:

Sie besagten, dass bestimmte Verbundwerkstoffe aus Kunststoff und plättchenförmigem Graphen, im Gegensatz zu solchen aus Kunststoff und stäbchenförmigen Zusätzen wie etwa Kohlenstoffnanoröhrchen, Kunststoff nicht in dem Maβe leitfähiger machen konnte wie bis dahin allgemein angenommen. Eine damals überraschende Aussage, die die Nutzung von Graphen, einem ultradünnen Kohlenstoffblatt zur Leitfähigkeitserhöhung, in Frage stellte.

Doch diese Vorhersage führte nun zu einer höchst erfreulichen Entdeckung: Der Effekt, der die Leitfähigkeit des Kunststoff-Graphen-Gemisches in Frage stellt, führt nämlich dazu, dass es überaus gute sogenannte „dielektrische“ Fähigkeiten besitzt.

Das bedeutet, dass man darin ein starkes elektrisches Feld erzeugen kann – die grundlegende Eigenschaft, um effiziente Kondensatoren herzustellen. Es handelt sich hier um winzige Bauelemente, die Energie statisch speichern können und in nahezu allen elektronischen Geräten vorkommen, wo sie unter anderem als Spannungsregulatoren oder Informationsspeicher gebraucht werden. Milliarden von ihnen stecken etwa in Computern.

„Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante, sogenannte High-k-Materialien, sind begehrt“, so Tanja Schilling, Leiterin des Forschungsprojektes an der Fakultät für Naturwissenschaften, Technologie und Kommunikation der Universität Luxemburg. „Der Fund, der auf unseren Vorhersagen basiert, wurde nun sogar im renommierten Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht, was uns natürlich sehr freut!“

Die außergewöhnlichen dielektrischen Fähigkeiten des Material-Gemisches entstehen dadurch, dass seine flüssig-kristallinen Eigenschaften eine stromdurchlässige Anordnung der leitfähigen Graphenplättchen erschwert. In Kontakt mit Strom fließt dieser also nicht direkt durch das Gemisch, sondern es entsteht zunächst ein starkes elektrisches Feld.

Während bei anderen Verbundwerkstoffen der stromdurchlässige Effekt der dominante ist, konnten die Luxemburger Physiker mathematisch zeigen, dass die flüssig-kristallinen Eigenschaften in dem Fall im Vordergrund stehen und für die ungeahnten elektrischen Eigenschaften sorgen.

Das Chemieunternehmen Solvay, Partner dieses Forschungsprojekts, will nun die Forschungen rund um dieses neue High-k-Material fortsetzen, um damit in Zukunft Kunststoffe für besonders effiziente Kondensatoren und weitere Anwendungen herstellen zu können.

Hinweise an die Redaktion:
Der wissenschaftlichen Artikel “Graphene Liquid Crystal Retarded Percolation for New High-k Materials” wurde in “Nature Communications” veröffentlicht. (DOI: 10.1038/ncomms9700).

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/ncomms/2015/151116/ncomms9700/full/ncomms9700.html?WT.ec_i... - Link zur wissenschaftlichen Publikation
http://www.uni.lu - Homepage der Universität Luxemburg

Britta Schlüter | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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