Chemiker entwickeln Super-Isolator

Fast so isolierend wie Luft: Ein neues Material hat die geringste je bei einem anorganischen Feststoff gemessene Wärmeleitfähigkeit. Mit 0,1 Watt pro Meter und Kelvin leitet das kristalline Material die Wärme fast so schlecht wie Luft, wie das Team im Fachmagazin „Science“ berichtet. Erreicht wird dies durch eine spezielle Kristallstruktur, die die wärmeübertragenden Gitterschwingungen besonders gut abfängt und abbremst. Das könnte neue ultradünne Dämmstoffe ermöglichen.

Ob ein Material Wärme gut leitet oder nicht, hängt von seiner Struktur ab: Metalle sind dann gute Wärmeleiter, wenn ihre Elektronen frei beweglich sind und dadurch zum Wärmetransport durch das Material beitragen. Bei elektrisch nichtleitenden Feststoffen hängt die Wärmeleitfähigkeit von der Gitterstruktur ab: Je besser in ihr die wärmebedingte Bewegung von Atomen in Form von Gitterschwingungen – Phononen – weitergleitet wird, desto besser leitet das Material die Wärme.

Um möglichst effektive Dämmstoffe und Wärmeisolatoren zu entwickeln, suchen Wissenschaftler daher nach Festoffen, deren Gitterstruktur die wärmetransportierenden Phononen möglichst stark abbremst oder streut.

Strukturunterschiede als Ausbreitungs-Hürden

Ein solches Material haben Chemiker um Quinn Gibson von der University of Liverpool nun entwickelt. Ihr Ausgangspunkt waren Schichtkristalle, die aus zwei Untereinheiten mit stark unterschiedlichen Gitterstrukturen bestehen. „Unterschiede in der chemischen Bindung modifizieren die Phonon-Verbreitung drastisch und verringern den Wärmetransport – ähnlich wie es auch stark unterschiedliche Ionengrößen tun“, erklären die Wissenschaftler.

Um dies zu erreichen, untersuchten Gibson und sein Team gezielt Bismutverbindungen, deren Schichtstruktur dem Schema (Bi₂O₂)_mX_n folgt. „Diese Kristalle besitzen stark gebundene Bi₂O₂²⁺-Kation-Schichten, die sich mit einer breiten Palette von anionischen X-Schichten abwechseln“, erklären die Forschenden.

Zwei Schichtkristalle kombiniert

Für ihr neues Material kombinierte das Team zwei solcher Bismutverbindungen, die Phononen auf unterschiedliche Weise abbremsen. Beim Bismutchloridoxid (BiOCl) hemmt der Wechsel vom fester gebundenen Bismutoxid in die von loser gebundenen Chloratomen dominierten Gitterbereiche die Ausbreitung der Gitterschwingungen. Beim Halbleiter Bi₂O₂Se sorgen Unterschiede in der Atomgröße und eine leicht verzerrbare Gitterstruktur für die Hemmung der Phononausbreitung.

Beide Materialien sind daher bereits für sich betrachtet gute Wärmeisolatoren. Kombiniert man sie, ergeben sich Synergieeffekte und man erhält ein Material, das noch besser isoliert als seine beiden Ausgangsstoffe. Denn die Gitterstruktur des resultierenden Schichtkristalls Bi₄O₄SeCl₂ hemmt die Phononausbreitung sowohl durch den Wechsel von starker zu schwacher Bindung als auch durch eine verzerrungsanfällige Schicht.

Geringste Wärmeleitfähigkeit aller anorganischen Feststoffe

Das Ergebnis ist ein Material mit einer extrem geringen Wärmeleitfähigkeit. Je nach Ausrichtung der Kristallschichten kann diese bei Raumtemperatur ein Minimum von 0,1 Watt pro Kelvin und Meter erreichen. Zum Vergleich: Luft hat bei Raumtemperatur eine Wärmeleitfähigkeit von 0,026 W pro Kelvin und Meter.

„Das von uns entdeckte Material hat damit die niedrigste Wärmeleitfähigkeit aller anorganischen Feststoffe und ist ein fast so schlechter Wärmeleiter wie die Luft“, sagt Gibsons Kollege Matt Rosseinsky. „Dies hat signifikante Bedeutung sowohl für unser fundamentales Verständnis solcher Materialien als auch für die praktische Anwendung.“

Solche extrem isolierenden Feststoffe könnten eingesetzt werden, um den Wärmeverlust technischer Komponenten zu minimieren, beispielsweise als Isolation bei Gasturbinen oder anderen Anlagen zur Nutzung von Wärmeenergie. Aber es könnten auch neue thermoelektrische Geräte und Anlagen auf Basis solcher Materialien entwickelt werden, die Abwärme in Strom umwandeln. (Science, 2021; doi: 10.1126/science.abh1619)

Quelle: University of Liverpool