Einbahnstraße für die Wärme

Bedampfte Nanoröhren leiten den Hitzestrom besser hin als zurück

Von Rainer Scharf

Die Wärmeleitung zeigt normalerweise keine Vorzugsrichtung. So ist es gleichgültig, mit welchem Ende man einen Silberlöffel in eine Suppe hält, stets wird die Wärme vom heißen zum kalten Ende hin transportiert. Dabei ist der Wärmestrom, also die pro Zeiteinheit übertragende Wärmemenge, proportional zum Temperaturgefälle. Seit vielen Jahren versuchen die Physiker vergeblich, einen Wärmeleiter zu konstruieren, der dem Wärmestrom eine Vorzugsrichtung aufzwingt. Forscher von der University of California in Berkeley haben jetzt winzige Röhrchen hergestellt, die die Wärme offenkundig in einer Richtung stets besser transportieren als in die entgegengesetzte, je nachdem, welches Ende der Röhrchen man erhitzt.
 

Die Wissenschaftler um Alex Zettl verwendeten für ihre Versuche nur wenige Nanometer dicke und einige Mikrometer lange Röhrchen aus Kohlenstoff beziehungsweise Bornitrid. Die hohlen Zylinder hatte man mit einer organischen Platinverbindung so bedampft, daß die Dicke des Überzugs zum einem Ende der Röhre hin stark zunahm, während das andere Ende unbedeckt blieb. Die amorphen Ablagerungen waren fest mit dem Nanoröhrchen verbunden, wie der Blick durch ein Elektronenmikroskop zeigte.

Um die Wärmeleitfähigkeit ihrer Proben ermitteln zu können, spannten die Forscher die beiden Enden eines Nanoröhrchens zwischen zwei Elektroden eines speziellen Meßgerätes. Die Kontakte, die jeweils mit einer kleinen Drahtwendel verbunden waren, dienten als Wärmequelle und als Wärmefühler. Ein Strompuls, der durch eine Drahtwendel floß, erzeugte in einer der Elektroden eine bestimmte Wärmemenge, die dann durch die Nanoröhre zur Elektrode am anderen Ende floß. Anschließend kehrten die Forscher die Richtung des Wärmestroms um. Bei jedem Durchgang veränderte sich jeweils kurzzeitig die Temperatur an den Elektroden, was sich in einer Änderung des elektrischen Widerstands in den Wendeln zeigte. Daraus konnten die Forscher schließlich die Wärmeleitfähigkeit des Nanoröhrchens in beide Richtungen ermitteln.

Das Ergebnis war eindeutig: Während unbehandelte Nanoröhrchen die Wärme in beide Richtungen gleich gut leiteten, wies die Wärmeleitfähigkeit eines bedampften Röhrchens eine Vorzugsrichtung auf. Die Leitfähigkeit war bei beiden Materialien, wenn die Wärme vom dicken zum dünnen Ende floß, um bis zu sieben Prozent höher als im umgekehrten Fall ("Science", Bd. 314, S. 1121). Wie kann man sich den Effekt erklären? Während in Metallen wie Silber oder Kupfer die Wärme durch die Leitungselektronen transportiert wird, sind es in den Nanoröhrchen - ob beschichtet oder nicht - die Schwingungen der Atome, die die Wärme leiten. Dabei beeinflussen die platinhaltigen Ablagerungen deutlich die Schwingungseigenschaften des Materials.

Wird ein Wärmepuls durch die Röhrchen geschickt, so schwingt die Röhre zunächst an ihrem warmen Ende stärker als an ihrem kühlen Ende. Dabei werden die Atome bisweilen so stark ausgelenkt, daß die Schwingungen nicht mehr elastisch sind. Es entstehen kompakte Schwingungsanregungen, sogenannte Solitonen, die wie ein Wellenberg die Röhre entlanglaufen. Simulationen haben gezeigt, daß diese Solitonen ihre Bewegungsrichtung umkehren können, wenn sie auf ihrem Wege von einem Ende zum anderen immer größere Massen in Schwingungen versetzen müssen, wie es bei den bedampften Röhrchen der Fall ist. Die Solitonen konnten deshalb leichter vom dicken Röhrenende zum dünnen wandern und in diese Richtung mehr Wärmeenergie transportieren als in die entgegengesetzte Richtung, wie es die Forscher um Zettl beobachtet haben.

Mit asymmetrisch beschichteten Nanoröhrchen läßt sich somit die Ausbreitung von atomaren Wärmeschwingungen beeinflussen. Deren Quanten, die Phononen, wird man vielleicht in Zukunft ebenso steuern und schalten können, wie das heute schon mit Elektronen möglich ist. Dann wäre die erzeugte Wärme in den Halbleiterchips keine lästige Begleiterscheinung mehr. Sie könnte vielmehr gezielt abgeleitet und vielleicht ebenfalls zur Informationsverarbeitung genutzt werden.

Text: F.A.Z., 22.11.2006, Nr. 272 / Seite N2