- Ein neuartiges Dünnfilmmaterial vereint extreme Steifigkeit mit äußerst geringer Wärmeleitfähigkeit und löst damit den Widerspruch, dass steife Materialien Wärme gut leiten.
- Das Forschungsteam nutzte zweidimensionale hybride organisch-anorganische Perowskite, um das neue Dünnfilmmaterial erfolgreich zu entwickeln.
- Das Material isoliert fünfmal besser als weiches Silikon und eröffnet breite Anwendungsperspektiven.
- Der Herstellungsprozess lässt sich leicht skalieren und kann großflächig gedruckt oder als industrielle Beschichtung aufgebracht werden.
Ein neu entwickelter, nicht poröser Dünnfilm vereint extreme Steifigkeit mit äußerst geringer Wärmeleitfähigkeit und löst damit den langjährigen Widerspruch, dass steife Materialien für gewöhnlich Wärme gut leiten. Der Film wurde von Forschern der North Carolina State University entwickelt und weist bei Raumtemperatur eine Wärmeleitfähigkeit von rund 0,04 W m⁻¹ K⁻¹ auf, wodurch er fünfmal besser isoliert als herkömmliches Silikon, dabei jedoch bis zu 10.000-mal steifer ist. Dali Sun, Physikprofessor an der North Carolina State University, erklärt: „Steife Materialien als hervorragende Wärmeisolatoren werden in vielen Anwendungen enormes Potenzial entfalten – von Kochgeschirr über Elektronik bis hin zur Raumfahrt.“
Er ergänzt: „Das ist allerdings eine ziemlich große Herausforderung, denn grundsätzlich leiten steife Materialien Wärme gut, während nicht steife Materialien gute Wärmeisolatoren sind. Wir haben ein extrem steifes und zugleich äußerst wirksames Isoliermaterial geschaffen, das alle in der Natur vorkommenden Materialien übertrifft.“
Bruch mit konventionellen Materialeigenschaften
Die Materialwissenschaft hat strukturelle Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit über lange Zeit miteinander verknüpft: Steife Materialien leiten Wärme schnell, während flexible Materialien Wärme zurückhalten. Metalltöpfe erhitzen sich rasch, weicher Gummi hingegen schützt vor Verbrennungen. Nun durchbricht diese neue Entwicklung das Paradigma und präsentiert einen Dünnfilm, der strukturelle Steifigkeit mit beispielloser Wärmeisolation verbindet. Dieses neuartige, nicht poröse Material wurde auf molekularer Ebene konstruiert, bleibt felsartig hart und blockiert Wärmeübertragung fünfmal effizienter als weiches Silikon.
Für diese Entwicklung nutzte das Forschungsteam zweidimensionale hybride organisch-anorganische Perowskite, in denen organische und anorganische Schichten in einer präzisen Kristallstruktur wechseln. Durch den Austausch standardmäßiger Kohlenstoffketten gegen maßgeschneiderte Benzolringe gelang es, Wärmeschwingungen einzufangen, ohne das strukturelle Gerät zu opfern. Messungen an dem so geschaffenen Azobenzolethylammonium-Bleiiodid-Dünnfilm ergaben eine Wärmeleitfähigkeit von rund 0,04 W m⁻¹ K⁻¹ bei Raumtemperatur. Zum Vergleich: Dieses steife Material isoliert fünfmal besser als weiches Silikon, dessen Wärmeleitfähigkeit bei 0,2 W m⁻¹ K⁻¹ liegt.
Silikon setzt bei Alltagsprodukten wie Ofenhandschuhen den Maßstab für Wärmewiderstand. In einer kompromisslosen Beschichtung die gleiche Isolierleistung zu erreichen, stellt daher einen bedeutenden Fortschritt dar.
Breites Anwendungspotenzial
Jun Liu, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luftfahrttechnik an der North Carolina State University, sagt: „Wenn wir dieses Material mit Silikon vergleichen, ist unser Werkstoff 700- bis 10.000-mal steifer als Silikon und isoliert gleichzeitig fünfmal besser.“ Die Einsatzmöglichkeiten des Materials sind vielfältig und dringend benötigt. Moderne Mikrochips werden durch Überhitzung in ihrer Leistung begrenzt, Raumfahrzeuge verbrauchen wertvollen Treibstoff für schwere keramische Hitzeschilde, und Elektronik der nächsten Generation wird durch ihre eigenen thermischen Beschränkungen ausgebremst. Diese druckbare, skalierbare Dünnfilmbeschichtung, die nahe an die theoretische Isolationsgrenze heranreicht, könnte dies alles grundlegend verändern.
Besser noch: Sie bleibt nicht auf das Labor beschränkt. Laut Mitautor Liu lässt sich der Herstellungsprozess leicht skalieren und kann großflächig als Film gedruckt oder direkt als schützende Industriebeschichtung aufgebracht werden.
Neben dem neuen Material selbst liegt ein weiterer Vorteil darin, dass es zeigt, wie molekulares Engineering geschichtete Materialien maßschneidern kann, um Eigenschaften zu kombinieren, die sich bislang nicht vereinen ließen – etwa felsartige Festigkeit und extreme Wärmeisolation.
Auswirkungen des neuen Materials auf Elektronik und Raumfahrt
Das neue Dünnfilmmaterial markiert einen bedeutenden Durchbruch in den Materialwissenschaften. Herkömmlich besteht ein Widerspruch zwischen Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit; dieser Forschung gelingt es, beide Eigenschaften zu vereinen und damit eine Lösung für das Problem der Wärmeableitung in elektronischen Geräten zu bieten. Darüber hinaus eröffnet die Skalierbarkeit des Materials Potenzial für industrielle Anwendungen – insbesondere in der Raumfahrt, wo es Gewicht reduzieren und die Leistung steigern kann, was für die künftige technologische Entwicklung entscheidend ist.