Tantalnitrid: Neuer Wärmeleiter stellt physikalische Überzeugungen infrage
Kupfer leitet die Wärme unserer Welt. Seit mehr als 100 Jahren gilt der Stoff als einer der besten Wärmeleiter der Natur, weshalb wir damit Elektronik, Industrieanlagen, Rechenzentren und Stromversorgungssysteme kühlen. Doch nun gibt es ein neues rekordverdächtiges Material.
Wie ein Forschungsteam in einer im Fachmagazin »Science« erschienenen Studie berichtet, erreichte ein Material namens θ-Phase-Tantalnitrid eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1110 Watt pro Meter und Kelvin – etwa dreimal so hoch wie die von Kupfer. »Das durchbricht die bisherige Obergrenze für den Wärmetransport in metallischen Materialien«, erklärt einer der Studienautoren, der Physiker Yongjie Hu von der University of California in Los Angeles. »Angesichts dieser überlegenen Leistung hat das neue Material das Potenzial, Kupfer zu ergänzen oder sogar zu ersetzen.« Und das vielleicht Erstaunlichste: Es funktioniert auf eine Weise, die Fachleute noch nie zuvor gesehen haben.
Ähnlich wie reiner Kohlenstoff verschiedene Strukturen wie Diamant oder Graphen bilden kann, existiert auch Tantalnitrid in verschiedenen Formen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften. Fachleute kennen einige davon bereits seit Jahrzehnten, doch bis jetzt hatte noch niemand die spezifische Konfiguration untersucht, auf die sich Hu und seine Kollegen konzentrierten. In dieser sind die Atome in einem extrem gleichmäßigen Kristallgitter angeordnet. Dabei stoßen Elektronen und sogenannte Phononen, die Wärme und Schall transportieren, auf weniger Widerstand als bei Metallen, wodurch sie Wärme besser leiten.
Eine neue Methode zur verbesserten Wärmeleitung
Das Material offenbart zudem eine bislang unerforschte Möglichkeit, die metallische Wärmeleitung zu steigern. In gewöhnlichen Metallen werden Phononen häufig durch Zusammenstöße untereinander und mit Elektronen gestört, was ihre Fähigkeit zur Wärmeabgabe verringert. In der von Hu und seinen Kollegen untersuchten Tantalnitrid-Form ermöglicht die atomare Struktur des Kristallgitters den Phononen, ungewöhnlich lange Strecken fast ungestört zurückzulegen. Diese Entdeckung weise Fachleuten eine neue Richtung, sagt Hu.
»Die Ergebnisse der Studie sind sowohl außergewöhnlich als auch konzeptionell wichtig«, sagt die Maschinenbauingenieurin Xiaojia Wang von der University of Minnesota, die nicht an der Forschungsarbeit beteiligt war. Das Team habe seine Messungen rigoros überprüft, und wenn sich das Material in großem Maßstab herstellen ließe, könnte es einen erheblichen Einfluss auf das Wärmemanagement von Elektronik, Rechenzentren und für Energiesysteme haben. Laut Hu könnte θ-Phase-Tantalnitrid aktuell angesichts der rasanten Entwicklung von KI-Modellen eine wichtige Rolle spielen, da die Rechenzentren immer stärker gekühlt werden müssen.
Für Materialwissenschaftler könnte die Arbeit auch eine Inspiration sein, andere seit Langem bestehende Grundannahmen infrage zu stellen. »Verstehen wir wirklich, wo die tatsächlichen Grenzen liegen? Oder spiegeln sie lediglich unser mangelndes Wissen und Verständnis wider?«, fragt Hu. »Da der Rekord für die Wärmeleitung nun gebrochen ist, könnten auch andere in der Materialphysik angenommene Grenzen überwunden werden.«
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