Ein neuer Rekord in der Wärmeleitfähigkeit

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Yongjie Hu und Suixuan Li von der University of California in Los Angeles (UCLA) hat ein metallisches Material entwickelt, das alle bisherigen Rekorde in der Wärmeleitfähigkeit bricht. Das sogenannte Theta-Phasen-Tantalnitrid (θ-TaN) erreicht eine Wärmeleitfähigkeit von 1.100 Watt pro Meter und Kelvin bei Raumtemperatur. Damit übertrifft es die bisher besten Wärmeleiter Kupfer und Silber um fast das Dreifache. Diese Entdeckung, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Science, könnte die Kühlung von Hochleistungscomputern und anderen elektronischen Geräten revolutionieren.

Die Grenzen bisheriger Materialien

Bisher galten Kupfer und Silber mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 Watt pro Meter und Kelvin als die effizientesten metallischen Wärmeleiter. Diese Metalle werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Kühlkörpern in Computern bis hin zu Klimaanlagen. Doch mit der rasanten Entwicklung von KI-Technologien und Hochleistungscomputern stoßen diese Materialien an ihre Grenzen. Die erzeugte Wärme kann nicht mehr effizient genug abgeleitet werden, was die Leistung und Lebensdauer der Geräte beeinträchtigt.

Die Entdeckung und Herstellung von θ-TaN

Die Herstellung von Theta-Phasen-Tantalnitrid war bisher eine große Herausforderung. Frühere Versuche erforderten extreme Bedingungen wie hohe Temperaturen und Druck, um die gewünschte hexagonale Gitterstruktur zu erzeugen. Das Team um Li entwickelte jedoch eine neue Methode: Durch die Verwendung von geschmolzenem Natrium als Reduktionsmittel in einer Stickstoffatmosphäre konnten sie Tantaloxide in θ-TaN umwandeln. Das Ergebnis ist ein Einkristall mit einer einzigartigen Gitterstruktur, die die hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht.

Wissenschaftliche Erklärung der hohen Wärmeleitfähigkeit

Die außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit von θ-TaN lässt sich durch die spezielle Anordnung der Atome in seinem Kristallgitter erklären. Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallen, bei denen Elektronen und Gitterschwingungen (Phononen) stark wechselwirken und so den Wärmetransport behindern, minimiert θ-TaN diese Streueffekte. Die kovalenten Bindungsnetze zwischen Tantal- und Stickstoffatomen ermöglichen einen effizienteren Wärmetransport, was zu der rekordverdächtigen Leitfähigkeit führt.

Mögliche Anwendungen und Zukunftsperspektiven

Die potenziellen Anwendungen von θ-TaN sind vielfältig. Besonders vielversprechend ist der Einsatz in der Computertechnik, wo das Material zur Kühlung von Prozessoren in KI-Rechenzentren, Quantencomputern und anderen Hochleistungsgeräten genutzt werden könnte. Darüber hinaus könnte θ-TaN in der Luft- und Raumfahrt sowie in Energietechnologien eingesetzt werden, wo effiziente Wärmeableitung ebenfalls von großer Bedeutung ist. Die Forscher sehen in diesem Material eine neue Benchmark für wärmeableitende Materialien und erwarten, dass es die Entwicklung zukünftiger Technologien maßgeblich beeinflussen wird.