Simulation: Atome in einer einlagigen, bienenwabenförmigen Struktur.

Überraschende Wärmeleitung in Graphen

Materialforscher um Xiangfan Xu an der National University Singapur haben ein unerwartetes Wärmeleitverhalten in Graphen nachgewiesen: Die Wärmeleitfähigkeit ist nicht konstant, sondern nimmt mit der Länge einer Graphenschicht zu. Diese Erkenntnis steht im Gegensatz zu den bisherigen Gesetzen der Wärmeleitung. Ihre Forschungsergebnisse publizierten die Wissenschaftler jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“.

Graphen ist ein zweidimensionales Material, das nur eine Atomschicht dick ist und außergewöhnliche Eigenschaften hat. Es ist chemisch sehr stabil, dehnbar, aber reißfester als Stahl, enorm leicht, aber gleichzeitig sehr hart. Auch für eine außerordentlich gute Wärmeleitung war Graphen bereits bekannt. Neu ist nun jedoch, dass die Wärmeleitfähigkeit pro Fläche keine Konstante ist, sondern von den Ausmaßen der Probe abhängt – und für längere Proben sogar besser wird. Dies widerspricht Gesetzen der Wärmeausbreitung in Festkörpern, die im 19. Jahrhundert von Joseph Fourier formuliert wurden.

Wärmeleitfähigkeit, aufgetragen gegen Probenlänge, zwei Kurven (300 Kelvin und 120 Kelvin): Die Probenlänge steigt logarithmisch mit der Probenlänge, von null bis etwa 8 Mikrometer.
Graph: Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Probenlänge

Koautor Davide Donadio vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz erklärt die Ergebnisse: „Wir haben Mechanismen des Wärmetransports erkannt, die in der Mikrometerskala tatsächlich den Gesetzen von Fourier widersprechen. Nun müssen alle bisher experimentell ermittelten Messergebnisse für Graphen neu interpretiert werden. Die Idee der Wärmeleitfähigkeit als materialspezifische Konstante trifft auf Graphen nicht zu.“ Die im Versuch verwendeten Proben waren eineinhalb Mikrometer breit und zwischen einigen Hundert Nanometern und sieben Mikrometern lang. Sie wurden bei Raumtemperatur sowie bei etwa minus 150 Grad Celsius vermessen und zeigten jeweils das gleiche Verhalten.

Für viele Anwendungen im Bereich der Mikroelektronik könnte dieses Ergebnis von Bedeutung sein. Eine bedeutende Einschränkung für den Trend, elektronische Systeme immer kleiner zu machen, ist der nötige Abtransport von Wärme, die im Betrieb entsteht. Ein passiv durch Graphen gekühltes System wäre deutlich effizienter als aktive Kühlungen, wie sie etwa in Computern üblich sind.