Neues über den Wärmetransport in Energiematerialien

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Wenn es auf jedes Detail ankommt

ForscherInnen des NOMAD-Labors am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft haben mikroskopisch die Mechanismen aufgeklärt, welche die Wärmeleitung in Wärmedämmstoffen bestimmen. Angetrieben von den Fortschritten im NOMAD CoE haben ihre rechnerischen Untersuchungen gezeigt, dass selbst kurzlebige und mikroskopisch lokalisierte Defektstrukturen einen erheblichen Einfluss auf makroskopische Transportprozesse haben. Diese Entdeckung könnte zu energieeffizienteren Technologien beitragen, indem sie die Anpassung von Wärmeisolatoren im Nanomaßstab durch Defekttechnik ermöglicht.

Vorübergehende Bildung eines Defektpaares in Kupferjodid. Obwohl diese Defekte nur einige Pikosekunden, d.h. ein Billionstel einer Sekunde, überleben, beeinflussen sie die makroskopischen Wärmetransportprozesse erheblich – Grafik © Florian Knoop, NOMAD-Labor

Die Forscher des NOMAD-Labors haben kürzlich grundlegende mikroskopische Mechanismen aufgeklärt, die es ermöglichen, Materialien für die Wärmedämmung maßzuschneidern. Diese Entwicklung bringt die laufenden Bemühungen zur Verbesserung der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit voran.

Die Rolle des Wärmetransports ist von entscheidender Bedeutung für verschiedene wissenschaftliche und industrielle Anwendungen wie Katalyse, Turbinentechnologie und thermoelektrische Wärmewandler, die Abwärme in Strom umwandeln. Vor allem im Zusammenhang mit der Energieeinsparung und der Entwicklung nachhaltiger Technologien sind Materialien mit hohen Wärmedämmungseigenschaften von größter Bedeutung. Diese Materialien ermöglichen es, Wärme zu speichern und zu nutzen, die andernfalls verloren gehen würde. Daher ist die Verbesserung des Designs von hochisolierenden Materialien ein wichtiges Forschungsziel, um energieeffizientere Anwendungen zu ermöglichen.

Die Entwicklung starker Wärmeisolatoren ist jedoch alles andere als trivial, obwohl die zugrundeliegenden physikalischen Gesetze schon seit fast einem Jahrhundert bekannt sind. Auf mikroskopischer Ebene wurde der Wärmetransport in Halbleitern und Isolatoren durch die kollektive Schwingung der Atome um ihre Gleichgewichtspositionen im Kristallgitter verstanden. Diese Schwingungen, die in der Fachwelt als „Phononen“ bezeichnet werden, betreffen Zillionen von Atomen in festen Materialien und erstrecken sich daher über große, fast makroskopische Längen- und Zeitskalen. Eine genaue Beschreibung der relevanten Dynamik über einen so großen Bereich von Skalen hinweg erfordert wiederum hochentwickelte methodische und rechnerische Fortschritte.

In einer kürzlich erschienenen gemeinsamen Veröffentlichung in Physical Review B (Editors‘ Suggestion) und Physical Review Letters haben Forscher des NOMAD-Labors am Fritz-Haber-Institut die algorithmischen und rechnerischen Verbesserungen des NOMAD CoE genutzt, um Wärmeleitfähigkeiten ohne experimentelle Eingaben mit bisher unerreichter Genauigkeit zu berechnen. Sie haben gezeigt, dass für starke Wärmeisolatoren das Phononenbild nicht angemessen ist. Mit Hilfe von Großrechnungen auf Supercomputern der Max-Planck-Gesellschaft, der North-German Supercomputing Alliance und des Jülich Supercomputing Centre untersuchten sie 465 kristalline Materialien, für die die Wärmeleitfähigkeit noch nicht gemessen worden war.

Dabei fanden sie nicht nur 28 starke Wärmeisolatoren, von denen sechs eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit, vergleichbar mit der von Holz, aufwiesen, sondern auch einen bisher meist übersehenen Mechanismus, mit dem sich die Wärmeleitfähigkeit systematisch senken lässt. „Wir haben die vorübergehende Bildung von Defektstrukturen beobachtet, die die atomare Bewegung für einen extrem kurzen Zeitraum massiv beeinflussen“, sagt Dr. Florian Knoop (jetzt Universität Linköping), Erstautor beider Publikationen. „Solche Effekte werden in der Regel in Wärmeleitfähigkeitssimulationen vernachlässigt, da diese Defekte so kurzlebig und im Vergleich zu typischen Wärmetransportskalen so mikroskopisch lokalisiert sind, dass sie als irrelevant angesehen werden. Die durchgeführten Berechnungen zeigten jedoch, dass sie niedrigere Wärmeleitfähigkeiten auslösen“, fügt Dr. Christian Carbogno, einer der Hauptautoren der Studien, hinzu.

Diese Erkenntnisse könnten neue Möglichkeiten für die Feinabstimmung und das Design von Wärmeisolatoren auf Nanoebene durch Defekttechnik bieten und so möglicherweise zu Fortschritten in der energieeffizienten Technologie beitragen.

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