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News: Hitzeschild

Spätestens das Columbia-Unglück vor etwas mehr als einem Jahr hat gezeigt, welche essenzielle Bedeutung einer effizienten Isolierung zukommt. Offenbar vermag die Nanotechnologie hier einiges zu leisten.
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Wärme ist nichts anderes als Bewegung – zumindest auf atomarer Ebene betrachtet: je höher die Temperatur, desto wilder der Tanz der Atome um ihre Ruhelage, je tiefer, desto verhaltener die Schwingungen. Erst am absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius friert fast jegliche Bewegung ein. Einzig ein leichtes Zittern bleibt zur Erfüllung von Heisenbergs Unschärferelation. Denn auch bei derart tiefen Temperaturen muss sich das Produkt aus Ort und Impuls noch eine gewisse Messunsicherheit bewahren.

Auch bei der Wärmeleitung übernehmen die Schwingungen der Atome eine tragende Rolle. Und da sich Schwingungen in fester Materie – vor allem in kristalliner – besonders gut ausbreiten, ist hier in der Regel die Wärmeleitfähigkeit besonders hoch. Das aber bereitet mitunter Probleme, etwa wenn Hitze empfindliche Elektronik in Motoren und Triebwerken vor hohen Umgebungstemperaturen geschützt werden muss. Hier braucht es möglichst leichte Materialien, die trotzdem gut isolieren.

Ruxandra Costescu von der University of Illinois at Urbana-Champaign und ihre Kollegen haben vielleicht bereits das Rezept für künftige Materialien entdeckt. Denn die Forscher experimentieren erfolgreich mit Verbundwerkstoffen aus sehr vielen dünnen Materiallagen, die der Hitze offenbar einiges entgegenzusetzen haben. Die Idee dabei: An den vielen Grenzflächen werden die atomaren Schwingungen nicht so gut übertragen wie mitten im Material. Die Phononen, das sind die kleinen Schwingungshäppchen, die für den Energietransport sorgen, werden gestreut und wandern keineswegs ungehindert durch den Stoff – entsprechend gering fällt die Wärmeleitfähigkeit aus.

Je mehr solcher Übergänge es in einem Verbundwerkstoff gibt, desto mehr Widerstand sollte das Material dem Wärmetransport entgegensetzen. Mit gängigen Methoden sehr dünne Schichten herzustellen – zum einen mit Magnetronsputtern, zum anderen mit Atomic Layer Deposition – schieden die Forscher um Costescu abwechselnd Aluminiumoxid und Wolfram ab. Die Aluminiumoxidschicht war dabei gerade 0,11 Nanometer dünn, die aus Wolfram brachte es auf 0,5 Nanometer. Insgesamt stellten die Wissenschaftler Schichtstapel von 40 bis 70 Nanometer Dicke her.

Zur Messung der Wärmeleitfähigkeit solch dünner Proben verwendeten die Forscher eine Methode, die Time-Domain Thermoreflectance heißt. "Das Reflexionsvermögen eines Metalls ist ein guter Gradmesser für seine Temperatur", erklärt David Cahill das Prinzip. "Indem wir messen, wie schnell sich das Reflexionsvermögen und damit die Temperatur verändern, können wir die Wärmeleitfähigkeit bestimmen."

Dazu wird die kleine Probe mit Laserlicht bestrahlt, wobei der Strahl zunächst in einen Pump- und einen Teststrahl aufgeteilt wird. Der Pumpstrahl trifft direkt auf die Probe und erhitzt sie, während der Teststrahl das Reflexionsvermögen und damit die Temperatur erfasst. Wie sich zeigt, sind die Nano-Schichtpakete tatsächlich keine sonderlich guten Wärmeleiter: auf 0,6 Watt pro Meter pro Kelvin kommt das Material. Zum Vergleich: Metalle haben in der Regel einen Wert, der in die Hunderte geht. Was Festkörper angeht, ist Glas vergleichbar. Dieses kommt auf einen Wert von 0,8 Watt pro Meter pro Kelvin.

Sandwich-Materialien mit sehr vielen Schichtwechseln scheinen also brauchbare Hitzeisolatoren abzugeben. Doch ein wenig dämpfen die Forscher die Erwartungen: Diese Schichtpakete sind thermisch nicht sonderlich stabil, Temperaturen jenseits von 1000 Grad Celsius könnten sie zerstören. Man müsse also abwägen zwischen einem besonders hitzetoleranten Material und einem guten Wärmeisolator.

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