Nanogold-Strukturen vervierfachen Wärmeübertragung

Wärme ist allgegenwärtig: Eine Tasse Kaffee kühlt aus, ein Laptop wird warm, die Sonne heizt die Erde. Doch wenn zwei Objekte nur wenige hundert Nanometer voneinander entfernt sind – das ist tausendmal dünner als ein menschliches Haar –, gehorcht Wärme anderen Regeln. Dann kann sie durch elektromagnetische Wellen direkt von einem zum anderen Objekt springen, ohne den Zwischenraum zu erwärmen. Dieses Phänomen heißt Nahfeld-Wärmestrahlung. Wissenschaftler kennen es seit Jahren, aber es gezielt zu verstärken, gelang bisher nicht.

Ein Team der Carnegie Mellon University, der Stanford University und der Purdue University hat nun einen Weg gefunden, diesen Effekt dramatisch zu steigern. Die Forscher nutzten sogenannte Metamaterialien – künstliche Strukturen, die winzige, sich wiederholende Muster enthalten und Energie auf präzise Weise beeinflussen können. Sie brachten mikroskopisch kleine Goldmuster auf hauchdünne Membranen auf und positionierten diese Membranen mit einem Nanospalt zueinander. Das Ergebnis: Die Wärmeübertragung zwischen den Membranen war bis zu viermal höher als bei vergleichbaren Aufbauten ohne die Goldstrukturen.

Der Grund für diese Verstärkung ist kein einfacher zusätzlicher Wärmeweg. Die Goldstrukturen interagieren mit natürlichen Energiewellen im Material, den sogenannten Oberflächen-Phonon-Polaritonen. Diese Wellen sind Schwingungen der Atomgitter, die Wärme transportieren. Durch die Goldmuster entsteht ein Resonanzeffekt: Die Strukturen und die natürlichen Wellen verstärken sich gegenseitig, sodass Energie freier und effizienter über den Spalt fließen kann. „Es ist ein kooperativer Effekt“, erklärt Sheng Shen, Professor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University und Hauptautor der Studie, die im Fachjournal Nature veröffentlicht wurde.

Die Entdeckung könnte vor allem der Elektronikindustrie helfen. Computerchips werden immer kleiner und leistungsfähiger, aber die Abwärme wird zum Problem. Bisherige Kühlmethoden stoßen an Grenzen. Könnte man Wärme gezielt ableiten, ließen sich Chips besser kühlen und ihre Lebensdauer verlängern. Auch bei sogenannten Thermophotovoltaik-Systemen, die Wärme direkt in Strom umwandeln, könnte die Technik die Effizienz steigern. Zudem sind Anwendungen in der Infrarot-Sensorik denkbar, etwa für Umweltüberwachung oder Sicherheitstechnik.

Die Experimente fanden unter kontrollierten Laborbedingungen statt und sind auf den Nanobereich beschränkt. Dennoch sehen die Forscher darin einen wichtigen Schritt: von der theoretischen Vorhersage zur praktischen Demonstration. „Wenn sich Wärme mit derselben Präzision steuern lässt wie Elektrizität oder Licht, könnte das eine ganze Klasse neuer Technologien ermöglichen – Technologien, die Wärme nicht nur aushalten, sondern sie nutzen“, sagt Shen. Die Arbeit wurde unter anderem von der Defense Threat Reduction Agency und der National Science Foundation gefördert.