Wärmeleitfähigkeit von Graphenen mit verschiedener Isotopenzusammensetzung. Trotz starker Streuung liegt die Variante mit nur 0,01% Kohlenstoff-13-Gehalt klar vor dem natürlichen Graphen mit 1,1%. [Quelle: siehe Bildergalerie]
Graphen liegt im Trend. Die Kohlenstoffmodifikation, die eine zweidimensionale Kristallstruktur mit einzigartigen Eigenschaften aufweist, wird derzeit als leistungsfähigster Wärmeleiter (besser als Diamant oder Kohlenstoffnanoröhren), hochstabiles Baumaterial (200 mal bruchfester als Stahl und
Hochleistungshalbleiter (bis zu 1000 mal schneller als Silizium) erforscht. Doch einem Team aus Wissenschaftlern der University of California, University of Texas und der chinesischen Xiamen Universität reichte dies noch nicht. Ihre Graphen-Variante weist eine noch einmal drastisch verbesserte Wärmeleitfähigkeit auf, ohne dabei seine anderen Eigenschaften einzubüßen.
Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Isotopenzusammensetzung. Graphen aus natürlichem Kohlenstoff besteht zu 98,9% aus dem stabilen Isotop Kohlenstoff-12 und zu 1,1% aus dem ebenfalls stabilen Isotop Kohlenstoff-13. In ihren Versuchen untersuchten die Forscher zusätzlich künstliche Mischungen mit einem Kohlenstoff-13-Gehalt von 99,2%, 50% und 0,01 %. Die Wärmeleitfähigkeit der Proben mit dem auf 99,2% stark erhöhten Kohlenstoff-13-Gehalt ähnelte hierbei stark dem der Proben mit natürlicher Zusammensetzung (2792 W/mK respektive 2916 W/mK, extrapoliert für eine Temperatur von 300 K, also knapp 27 °C). Dies wird mit der vergleichbaren Unreinheit von circa 1% Fremdisotopen erklärt. Entsprechend schlechter schnitten Proben mit 50% Kohlenstoff-13 ab. 2197 W/mK liegen sogar unter der Wärmeleitfähigkeit eines guten Diamanten (bis 2300 W/mK).
Wesentlich extremer fällt der Unterschied aber in Gegenrichtung aus. Bei einer Steigerung der Reinheit auf 99,99% Kohlenstoff-12 wurde eine Wärmeleitfähigkeit von sensationellen 4419 W/mK ermittelt. Zwar fällt die Streuung der Proben recht hoch aus (bei 320 K wurden 4120±1410 W/mK gemessen), das Ergebnis deckt sich aber mit theoretischen Kristallmodellen, die ursprünglich für halbleitende Verbindungen aus Aluminium und Germanium oder Aluminium, Gallium und Arsen entwickelt wurden.
Anwendungsmöglichkeiten für derartige Hochleistungswärmeleiter sehen die Forscher vor allem bei mehrlagigen Computerchips, die die Abfuhr großer Wärmemengen auf geringstem Raum erfordern werden - zum Teil mehr, als in Kernreaktoren. Zumindest herkömmliches Graphen ist auch als thermisches Verbindungsmaterial im Packaging konventioneller Chips oder in Solarzellen im Gespräch.
Quelle (einschließlich des kompletten Papers als .pdf)
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Volt-Modder
16.01.2012 08:28
Jo, wobei man schon aufpassen muss, wie groß die Störungen sind.
Graphen ist ziemlich empfindlich was seinen Zustandsraum angeht. Das ist ja auch das was die hier gezeigt haben. Einfach nur die Reinheit an einem Isotop erhöhen und die Wärmeleitfähigkeit geht durch die Decke.
Da muss dann schon ein gewisses Maß da sein, halt Graphen vorliegen in ausreichendem Maße
Wie dem auch sei, wir/ich verhäddern uns da grad in Details. Es ist auf jeden Fall gut, dass die so etwas nachgewiesen haben, und die Stärke des Effekts ist verblüffend!, auch wenn wohl klar war, das prinzipiel dieser Effekt zu sehen sein wird, hat wohl kaum einer mit dieser Ausprägung des Effekts gerechnet. Das ist schon SEHR verblüffend.
Moderator
16.01.2012 01:09
Wie gesagt: Solange das ganze ausreichend dünn ist, muss es für die Wärmeleitung afaik nicht einlagig sein. Nur halt nicht so dick, dass tatsächlich Graphit vorliegt (wie von dir die ganze Zeit geschrieben
Volt-Modder
16.01.2012 00:47
Aber gut, jetzt ist es etwas klarer. Da geht es nur darum, wie man Graphit erzeugt. Damit haste aber kein nutzbares Graphit gewonnen
Klingt komisch ist aber so. Das sind dann ja mehrere Lagen an Graphit übereinander, soweit ich die unterschiedlichen Techniken schnell überblicken kann. Man muss dann eben noch die einzelnen Graphitschichten voneinander trennen. Stichwort Tesafilm
Da zerbricht dir aber dein Graphen wohl gern bei, weshalb du nur kleine Bruchstücke hast.
Aber wenn das wirklich durch Gasabscheidung machbar ist, dann lässt sich darauf wirklich aufbauen, was die ganze Sache deutlich näher an eine Serienfertigung rückt. Bleibt aber halt noch immer das Problem, wirklich größere Stücke zu erstellen und auch zu Verifizeren, dass das einlagige Schichten sind. Aber seis drum. Sehr schön zu hören, das sich da scheinbar einiges getan hat.
Ich würde aber trotzdem damit nicht in den nächsten 10-20 Jahren rechnen.