Warum manche Materialien Strom gut, Wärme dagegen nur schlecht leiten

20. Juli 2014, 17:42
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In speziellen Kristallverbindungen breiten sich Schwingungen der Atome kaum aus 

Wien - In der Regel sind Materialien, die Elektrizität leiten, auch gute Wärmeleiter. In Kristallverbindungen, bei denen einzelne Fremdatome in winzigen Atom-Käfigen eingeschlossen sind, sieht das allerdings anders aus. Warum das so ist, zeigte nun ein internationales Forscherteam mit heimischer Beteiligung. In diesen sogenannten "Clathraten" bleiben Schwingungen der gefangenen Atome unter bestimmten Umständen nämlich isoliert.

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften ist diese Materialgruppe ein Kandidat für den Einsatz in effizienteren thermoelektrischen Zellen. Verbindet man ein heißes und ein kaltes Objekt mit zwei verschiedenen Materialien, kann elektrische Spannung entstehen. Dazu braucht es aber Werkstoffe, die zwar elektrischen Strom gut leiten, gleichzeitig aber Wärme nur schlecht übertragen. Wäre die Wärmeleitung nämlich gut, würden sich die Temperaturen der beiden Materialien schnell angleichen und der Effekt käme zum Erliegen. Diese Methode könnte etwa dazu eingesetzt werden, aus der Abwärme von Maschinen Energie zurückzugewinnen, erklären die Forscher von der Technischen Universität (TU) Wien.

Des Rätsels Lösung

Warum sich etwa Clathrate aus Siliziumstrukturen, in denen einzelne Barium-Atome eingesperrt sind, so unüblich verhalten, war bisher unklar. TU-Forscher konnten nun mit Hilfe von Kollegen der Universitäten Lyon und Stuttgart sowie dem europäischen Synchrotron in Grenoble Licht ins Dunkel bringen. Sie berichteten über ihre Erkenntnisse kürzlich in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters".

Wärme kann sich in solchen Materialien über gemeinsames Schwingen der Atome fortbewegen - "ähnlich wie Schallwellen", wird Holger Euchner vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie der TU Wien in der Aussendung zitiert. Diese Atom-Schwingungen bei denen benachbarte Atome in unterschiedlichen Wellenlängen miteinander oder entgegengesetzt pendeln, werden Phononen genannt.

Atome ohne "Swing"

Bisher wurde die geringe Wärmeleitfähigkeit von Clathraten darauf zurückgeführt, dass die großflächigen Phononen-Schwingungen gestreut werden und daher schnell abklingen. Die Analysen der Forscher ergaben aber, dass sich diese Schwingungen in Clathraten kaum über größere Entfernungen ausbreiten. Es kommt zu lokalisierten Phononen, die dadurch charakterisiert sind, dass die meisten Atome fast nicht schwingen, während sich sehr wenige Atome stark bewegen. Genau das passiert mit den Atomen in den Clathrat-Käfigen, was die Wärmeleitung des Materials insgesamt hemmt, so der Befund der Physiker. (red, derStandard.at, 20. 7. 2014)

  • Clathrat-Kristalle bestehen aus winzigen Käfigen, in denen einzelne Atome eingesperrt sein können.
    illustration: tu wien, foto: matthias ikeda

    Clathrat-Kristalle bestehen aus winzigen Käfigen, in denen einzelne Atome eingesperrt sein können.

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