Neues anorganisches Material mit der niedrigsten jemals gemessenen Wärmeleitfähigkeit entdeckt

Durchbruch in der Kontrolle des Wärmeflusses auf atomarer Ebene

19.07.2021 - Großbritannien

Ein Forschungsteam unter der Leitung der University of Liverpool hat ein neues anorganisches Material mit der niedrigsten jemals gemessenen Wärmeleitfähigkeit entdeckt. Diese Entdeckung ebnet den Weg für die Entwicklung neuer thermoelektrischer Materialien, die für eine nachhaltige Gesellschaft entscheidend sein werden.

Wie in der Fachzeitschrift Science berichtet wird, stellt diese Entdeckung einen Durchbruch in der Kontrolle des Wärmeflusses auf atomarer Ebene dar, der durch das Design von Materialien erreicht wird. Sie bietet grundlegende neue Einblicke in das Management von Energie. Das neue Verständnis wird die Entwicklung neuer Materialien für die Umwandlung von Abwärme in Strom und für die effiziente Nutzung von Brennstoffen beschleunigen.

Das Forscherteam unter der Leitung von Professor Matt Rosseinsky vom Department of Chemistry and Materials Innovation Factory der Universität und Dr. Jon Alaria vom Department of Physics and Stephenson Institute for Renewable Energy der Universität hat das neue Material so entworfen und synthetisiert, dass es zwei unterschiedliche Anordnungen von Atomen kombiniert, von denen sich herausgestellt hat, dass sie die Geschwindigkeit, mit der sich Wärme durch die Struktur eines Festkörpers bewegt, verlangsamen.

Wenn jedes Detail zählt: Wärmetransport in Energiewerkstoffen

Entdeckung könnte zu energieeffizienteren Technologien beitragen, da sich damit die gezielte Erzeugung von Defekten auf der Nanoskala nutzen lässt

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Sie identifizierten die Mechanismen, die für den reduzierten Wärmetransport in jeder dieser beiden Anordnungen verantwortlich sind, indem sie die Wärmeleitfähigkeiten von zwei verschiedenen Strukturen maßen und modellierten, von denen jede eine der erforderlichen Anordnungen enthielt.

Diese Mechanismen in einem einzigen Material zu kombinieren, ist schwierig, da die Forscher genau kontrollieren müssen, wie die Atome darin angeordnet sind. Intuitiv würden die Wissenschaftler erwarten, einen Durchschnitt der physikalischen Eigenschaften der beiden Komponenten zu erhalten. Durch die Wahl günstiger chemischer Grenzflächen zwischen jeder dieser verschiedenen Atomanordnungen synthetisierte das Team experimentell ein Material, das beide kombiniert (dargestellt als gelbe und blaue Platten im Bild).

Dieses neue Material mit zwei kombinierten Anordnungen hat eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit als eines der beiden Ausgangsmaterialien mit nur einer Anordnung. Dieses unerwartete Ergebnis zeigt den Synergieeffekt der chemischen Kontrolle der Atomlagen in der Struktur und ist der Grund, warum die Eigenschaften der Gesamtstruktur denen der beiden Einzelteile überlegen sind.

Wenn wir die Wärmeleitfähigkeit von Stahl mit 1 annehmen, dann ist ein Titanstab 0,1, Wasser und ein Bauziegel 0,01, das neue Material 0,001 und Luft 0,0005.

Etwa 70 Prozent der auf der Welt erzeugten Energie wird als Wärme verschwendet. Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit sind unerlässlich, um diese Verschwendung zu reduzieren und nutzbar zu machen. Die Entwicklung neuer und effizienterer thermoelektrischer Materialien, die Wärme in Elektrizität umwandeln können, wird als eine wichtige Quelle für saubere Energie angesehen.

Professor Matt Rosseinsky sagte: "Das Material, das wir entdeckt haben, hat die niedrigste Wärmeleitfähigkeit aller anorganischen Feststoffe und ist ein fast so schlechter Wärmeleiter wie Luft selbst.

"Die Auswirkungen dieser Entdeckung sind bedeutend, sowohl für das grundlegende wissenschaftliche Verständnis als auch für praktische Anwendungen in thermoelektrischen Geräten, die Abwärme ernten, und als Wärmedämmschichten für effizientere Gasturbinen."

Dr. Jon Alaria sagte: "Das aufregende Ergebnis dieser Studie ist, dass es möglich ist, die Eigenschaft eines Materials mit Hilfe von komplementären physikalischen Konzepten und geeigneten atomistischen Schnittstellen zu verbessern. Über den Wärmetransport hinaus könnte diese Strategie auch auf andere wichtige fundamentale physikalische Eigenschaften wie Magnetismus und Supraleitung angewandt werden, was zu niedrigerem Energieverbrauch bei Computern und effizienterem Stromtransport führen würde."

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