Welche Materialien halten Hitze ab?

Hitzeschild aus der 2D-Welt: Graphen und seine vielversprechenden Kombinationen

Die Suche nach effizienten und gleichzeitig leichten Materialien zur Wärmeschutz besteht seit jeher. Ob im Flugzeugbau, in der Raumfahrt oder bei der Entwicklung neuer Hochleistungsprozessoren – der Bedarf an innovativen Wärmedämmungen ist enorm. Neue Hoffnung bietet dabei die Welt der zweidimensionalen (2D) Materialien, insbesondere die Kombination von Graphen mit anderen 2D-Stoffen. Diese eröffnen faszinierende Möglichkeiten, die weit über herkömmliche Lösungen hinausgehen.

Graphen, eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen in einer hexagonalen Gitterstruktur, ist bekannt für seine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit. Man könnte meinen, es sei daher ungeeignet als Wärmedämmung. Der Schlüssel liegt jedoch in der gezielten Kombination mit anderen 2D-Materialien. Diese Kombinationen führen zu synergistischen Effekten, die zu einer überraschend hohen Wärmedämmfähigkeit führen. Das Prinzip beruht auf der gezielten Beeinflussung des Wärmetransports auf atomarer Ebene.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Wärmedämmung, die oft auf der Einschluss von Luft oder der Verwendung poröser Materialien basiert, funktioniert die Wärmedämmung von 2D-Material-Kombinationen auf einem anderen Mechanismus. Der Wärmetransport durch Graphen wird durch die Interaktion mit dem zweiten 2D-Material gestört. Dies kann auf verschiedene Weisen geschehen:

• Phonon-Streuung: Wärme wird auf atomarer Ebene durch Phononen, quantisierte Gitterschwingungen, transportiert. Die gezielte Auswahl eines zweiten 2D-Materials kann die Phononen streuen und somit den Wärmefluss signifikant reduzieren. Die unterschiedlichen Gitterstrukturen und atomaren Eigenschaften der kombinierten Materialien führen zu einer erhöhten Streurate der Phononen.

• Veränderung der elektronischen Struktur: Die Kombination von Graphen mit anderen 2D-Materialien kann auch die elektronische Struktur des gesamten Systems verändern, was wiederum den Wärmetransport beeinflusst. Dies ermöglicht eine Feinabstimmung der Wärmedämmeigenschaften.

• Herstellung poröser Strukturen: Durch gezielte Anordnung und Kombination verschiedener 2D-Materialien lassen sich auch poröse Strukturen mit luftgefüllten Hohlräumen erzeugen, die zusätzlich zur Phonon-Streuung die konventionelle Luft-basierte Wärmedämmung unterstützen.

Die Forschung auf diesem Gebiet ist noch in vollem Gange. Es werden kontinuierlich neue Kombinationen von 2D-Materialien untersucht und optimiert, um die Wärmedämmeigenschaften weiter zu verbessern. Bspw. werden Graphen-Hexagonal-Bornitrid (h-BN) Heterostrukturen intensiv erforscht, um die Vorteile beider Materialien zu kombinieren. Die potenziellen Anwendungen sind vielfältig: von der Entwicklung extrem leistungsfähiger und gleichzeitig kühl laufender Prozessoren bis hin zu neuartigen, ultraleichten und hochtemperaturbeständigen Schutzschichten für Raumfahrzeuge. Die 2D-Materialien könnten so eine neue Ära der Wärmedämmung einläuten. Die Herausforderung besteht nun darin, die Herstellung dieser Materialien im industriellen Maßstab zu optimieren und ihre langfristige Stabilität unter realen Bedingungen zu gewährleisten.