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Wie man Wärmeleitung einfriert

Darstellung Wäremeleitung durch Clathrate © TU Wien

Damit kann man Abwärme in Strom umwandeln. Ziel der Forschung ist es, Materialien zu finden, die einerseits Strom gut leiten, andererseits aber relativ schlechte Wärmeleiter sind. Als besonders vielversprechend erwiesen sich Materialien mit Käfigstruktur, zu denen auch die an der TU Wien untersuchten Clathrate gehören. „Clathrate sind Kristalle mit einer ganz besonderen Struktur“, erklärt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Sie bestehen aus winzigen Gitterkäfigen, in denen einzelne Atome eingesperrt sind.“ Ein solches Atom kann in seiner Einzelzelle hin und her schwingen, es ist aber nicht fest in das Kristallgitter eingebaut.

Die Wärme in einem Festkörper ist nichts anderes als das Schwingen der Atome. Erwärmt man einen Kristall, werden die Schwingungen immer größer und heftiger, bis irgendwann die Bindungen zwischen den Atomen aufgebrochen werden und der Kristall schmilzt. „Man unterscheidet zwischen zwei Arten von Schwingungen“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Sind benachbarte Atome stark aneinander gebunden, so überträgt sich die Schwingung eines Atoms gleich auf den Nachbar und eine Wärmewelle breitet sich im Material aus. Je stärker die Kopplung zwischen den Atomen, desto schneller die Ausbreitung der Welle und desto größer die Wärmeleitung. Ist ein Atom jedoch nur sehr schwach an seine Nachbarn gebunden, wie eben das Atom im Clathratkäfig, so schwingt es weitgehend unabhängig von den anderen und die Wärmewelle ist extrem langsam.“ An der TU Wien wurde nun ein bisher unbekannter physikalischer Effekt nachgewiesen, der die Wärmeleitfähigkeit unterdrückt – wir bezeichnen ihn als Kondo-artige Phononenstreuung. Aufgrund der Kristallstruktur schwingt ein Atom im Clathratkäfig bevorzugt in zwei bestimmten Richtungen. Wenn eine Wärmewelle ankommt, kann sie für eine gewisse Zeit einen gebundenen Zustand mit einer solchen Schwingung eingehen. Die Wärmewelle ändert dabei die Schwingungsrichtung des Atoms im Clathratkäfig. Dadurch wird die Wärmewelle abgebremst, und genau das reduziert die Wärmeleitung. Obwohl Clathrate elektrischen Strom leiten, sind sie daher gute thermische Isolatoren.

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