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Metamaterial: Atomdünne Schicht hält Hitze ab

Graphen ist eigentlich bekannt dafür, nicht nur Strom, sondern auch Wärme gut zu leiten. Eine nur wenige Atome dünne Kombination von Graphen mit zwei anderen 2-D-Materialien macht das Gegenteil - und schirmt Temperatur besonders gut ab.
Graphen-GitterLaden...

Zweidimensionale Materialien wie die »Wunderfolie« haben bislang nicht ganz gehalten, was der Hype sich vielleicht davon versprochen hat. Tatsächlich aber bleiben die atomdicken Schichten für die Forschung durchaus spannend: Vor allem, wenn man sie kombiniert, lassen sich bizarre Eigenschaften studieren, die ganz neue Einsatzmöglichkeiten denkbar machen. Und auch eine Kombination von Graphen mit anderen atomdicken Schichtmaterialien erweitert die Möglichkeiten, wie nun ein Forscherteam um Eric Pop von der Stanford University belegt: Die Wissenschaftler haben aus Graphen und weiteren Komponenten eine leistungsstarke und ultradünne Wärmedämmfolie zusammengestellt.

Im Fachblatt »Scientific Advances« berichten sie von ihrem nur drei Nanometer dicken Schichtkomposit aus Graphen, Molybdändiselenid, Molybdändisulfid (MoS2) und Wolframdiselenid (WSe2). Der dünne Schichtmix blockierte Hitze fast 100-mal besser als typisches Einfachfensterglas und hatte einen rund dreifach niedrigeren Wärmedurchgangskoeffizienten als die umgebende Luft bei Raumtemperatur. Eine Dämmfolie wie im Experiment könnte, so die Forscher, in Zukunft vielleicht dazu dienen, die Hitzeentwicklung elektronischer Bauteile untereinander oder gegenüber der Umgebung abzuschirmen. Zudem könnte man damit auch eine Art Temperaturdraht umwickeln, in dem Wärme gezielt etwa von Temperaturhotspots in Geräten abtransportiert wird – wobei die Temperatur nach innen abgeschirmt ist wie Strom in isolierten Drähten.

Aussichtsreich wäre es nach Ansicht der Forscher, die Kombination von 2-D-Materialien zu Metamaterialien weiterzudenken: Der Effekt im Experiment beruht auf den unterschiedlichen Atommassedichte der einzelnen Schichten, welche sich auf die Schwingungseigenschaften der Atome im Feststoffgitter auswirken. Strahlung – auch Wärmestrahlung – wird dabei, vereinfacht gesagt, von Schicht zu Schicht bei ähnlichen Schwingungseigenschaften effizienter weitergegeben, und die Forscher achteten daher für den maximalen Abschirmungseffekt darauf, in diesem Sinn möglichst unterschiedlich schwingende Materialien übereinander zu kombinieren. Mit Blick auf Wärmeabschirmung oder -ableitung wählten die Forscher zudem Materialien, deren Gitterstruktur auf die in Festkörpern niedrigen Wellenlängen thermischer Strahlung reagiert.

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