Ein Nanoröhrenmaterial leitet Wärme nur in eine Richtung

Foto von entstehenden Nanoröhren Wikimedia-Commons

Hitze ist für Elektroingenieure ein Ärgernis. Es verringert die Zuverlässigkeit elektronischer Geräte und führt sogar zu deren vollständigem Ausfall. Aus diesem Grund werden Computerkomponenten großzügig mit Wärmeleitpaste bestrichen und an Heatpipes, Lüfter und sogar Wasserkühlungssysteme angeschlossen.

Ziel ist es, die Wärme von empfindlichen Bauteilen wegzuleiten, damit sie an die Umgebung abgegeben werden kann. Aber je kleiner die Geräte werden, desto größer wird die Herausforderung – und moderne Transistoren beispielsweise werden in Nanometern gemessen.

Die kostengünstigsten Leiter sind Metalle wie Kupfer, aber die Wärme wird in alle Richtungen gleich gut durch sie geleitet. Das bedeutet, dass sich Wärme auf jedes andere Bauteil ausbreiten kann, das ebenfalls in thermischem Kontakt mit dem Metall steht.

Ein effektiverer Leiter würde Wärme in eine Richtung leiten, aber nicht in die senkrechte. In diesem Fall würde Wärme entlang eines solchen Materials wandern, aber nicht darüber hinweg.

Solch ein asymmetrischer Leiter würde das Leben von Wärmetechnikern erheblich erleichtern. Aber sie zu erstellen ist schwierig.

Betreten Sie Shingi Yamaguchi von der Universität Tokio in Japan und eine Gruppe von Kollegen, die aus sorgfältig ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren ein Material geschaffen haben, das Wärme auf genau diese Weise leitet. Die neue Substanz hat das Potenzial, die Art und Weise zu revolutionieren, wie Wärmetechniker Kühlsysteme für Computer und andere Geräte entwerfen und bauen.

Zuerst etwas Hintergrund. Materialwissenschaftler sind sich bewusst, dass Kohlenstoffnanoröhren hervorragende Leiter sind. Diese Röhrchen haben eine Wärmeleitfähigkeit von über 1.000 W m-1 K-1. Zum Vergleich: Kupfer hat einen Wärmeleitwert von etwa 400 W m-1 K-1.

Problematisch wird es, wenn Materialwissenschaftler versuchen, aus Nanoröhren ein Massenmaterial herzustellen. Sie tun dies, indem sie die Röhrchen auf einem Kunststoffsubstrat absetzen lassen und eine Schicht bilden. Aber die Nanoröhren neigen dazu, schlecht ausgerichtet oder zufällig angeordnet zu sein.

Dadurch stehen sie in schlechtem thermischen Kontakt zueinander, was die Leitfähigkeit des Schüttguts verringert. Es ist wichtig, diese strukturellen Mängel zu beseitigen, um die hohe Wärmeleitfähigkeit einzelner Kohlenstoff-Nanoröhren in ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren-Anordnungen zu nutzen, sagen Yamaguchi und Co.

Ihre Lösung ist einfach: Sie schaffen ein Material, in dem die Kohlenstoff-Nanoröhrchen exakt ausgerichtet sind und somit durchgehend guten thermischen Kontakt haben.

Dies ist dank einer Technik möglich, die als kontrollierte Vakuumfiltration bekannt ist. Bereits 2012 entdeckten Physiker, dass schwebende Kohlenstoffnanoröhren unter bestimmten Umständen eine selbstorganisierte Struktur bilden können, in der sie sich alle wie in einem Kristall ausrichten.

Die Nanoröhren werden zunächst in einer Flüssigkeit vermischt, die ein Tensid enthält, das ihre Oberflächenspannung verringert. Unter der Voraussetzung, dass die Konzentration von Nanoröhren unter einem kritischen Niveau liegt, beginnen sie sich dann auf der Oberfläche der Flüssigkeit selbst zu organisieren und werden dicht ausgerichtet.

Die Flüssigkeit wird dann entfernt, indem sie vorsichtig und langsam mit einem Vakuum durch einen Filter gesaugt wird, wobei die Nanoröhren zurückbleiben. Das Ergebnis ist ein dünnes Blatt hochgradig ausgerichteter Nanoröhren mit einigen außergewöhnlichen Eigenschaften.

Yamaguchi und Co sagen, dass das neue Material Wärme in Richtung der Ausrichtung der Nanoröhren mit einer Wärmeleitfähigkeit von 43 W m-1 K-1 leitet. Im Gegensatz dazu ist der Leitwert in senkrechter Richtung mit 0,085 W m-1 K-1 um drei Größenordnungen kleiner, etwa gleich hoch wie bei Glasfaser.

Mit anderen Worten, das Material leitet 500-mal besser in eine Richtung als in die andere – die größte Asymmetrie, die jemals für diese Art von Materialien beobachtet wurde.

Der Grund ist einfach. Wenn die Nanoröhren von Ende zu Ende in thermischem Kontakt stehen, wandert Wärme leicht von einem zum anderen. Aber die Röhren haben über ihre Länge keinen guten thermischen Kontakt, da die Kontaktfläche für nebeneinander liegende Röhren winzig ist.

Yamaguchi und Co weisen schnell auf die Grenzen ihres neuen Materials hin. Obwohl es sehr asymmetrische Eigenschaften hat, beträgt seine höchste Wärmeleitfähigkeit nur 43 W m-1 K-1, etwa so viel wie Zinn/Blei-Lot.

Sie glauben jedoch zu wissen, warum es im Vergleich zu Einzelkohlenstoff-Nanoröhren so niedrig ist. Sie sagen, dass die Nanoröhren zwar von Ende zu Ende in thermischem Kontakt stehen, dieser Kontakt jedoch nicht perfekt ist. Jeder Sprung, den die Wärme von einer Nanoröhre zur nächsten machen muss, verringert die Wärmeleitfähigkeit. Und je kürzer die Röhren, desto mehr Sprünge sind erforderlich.

Yamaguchi und Co verwenden Nanoröhren, die nur 200 Nanometer lang sind. Dies deutet darauf hin, dass die [Wärmeleitfähigkeit in Richtung der Ausrichtung der Nanoröhren] bei Kohlenstoff-Nanoröhren mit längeren Bestandteilen sogar noch größer sein kann, sagen sie.

Ein ähnliches Material aus längeren Nanoröhren herzustellen, wird nicht unbedingt einfach sein. Das selbstorganisierende Verhalten, das die ausgerichteten Filme erzeugt, ist für längere Nanoröhren schwieriger. Aber diese Art von materialwissenschaftlicher Herausforderung wird sicherlich Yamaguchi und Co und andere interessieren. Zweifellos sind die Experimente bereits im Gange, und die Wärmetechniker drücken die Daumen.

Ref: arxiv.org/abs/1911.11340 : Thermischer Transport in einer Richtung in dicht ausgerichteten einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Filmen

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