Neuartige Vliesstoffe aus Bayreuth leiten elektrischen Strom, aber keine Wärme

Forscher der Universität Bayreuth stellen neuartige Vliesstoffe vor, die eine ungewöhnliche Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit und „extrem“ niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Vliese stellen laut den Wissenschaftlern einen Durchbruch in der Materialforschung dar.

Mit einem einfach zu realisierenden Materialkonzept sei es gelungen, elektrische und thermische Leitfähigkeit zu entkoppeln. Die aus Kohlenstoff und siliziumbasierter Keramik im Elektrospinnverfahren hergestellten Vliese seien attraktiv für technologische Anwendungen, zum Beispiel in der Energietechnik und Elektronik. Sie könnten kostengünstig im industriellen Maßstab hergestellt und verarbeitet werden.

Normalerweise gehe eine hohe elektrische Leitfähigkeit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit einher, erklären die Forscher. In vielen High-Tech-Industrien bestehe jedoch ein wachsendes Interesse an multifunktionalen Materialien, die eine gute elektrische Leitfähigkeit mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit verbinden. Mit diesem strategischen Ziel seien beispielsweise dichte anorganische Materialien, konjugierte Polymere und Legierungen entwickelt worden. Doch im Bereich der flexiblen, faltbaren Materialien sei es immer noch eine große Herausforderung, eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit zu kombinieren.

Die elektrogesponnenen Vliese bestehen aus Fasern mit einem Durchmesser zwischen 500 und 600 Nanometern. Jede Faser enthält eine Matrix aus Kohlenstoff. Darin sind winzige Bereiche, die nur wenige Nanometer groß und mit Keramik gefüllt sind, gleichmäßig verteilt. Diese Keramikphasen bilden laut den Forschern winzige „Inseln“ im „Meer“ der Kohlenstoffmatrix und haben entgegengesetzte, sich ergänzende Wirkungen.

Die Kohlenstoffmatrix ermögliche den Elektronentransport in den Fasern und damit eine hohe elektrische Leitfähigkeit, während die Keramikphasen die Ausbreitung von Wärmeenergie ebenso wirksam verhindere. Das liege daran, dass die Grenzfläche zwischen der nanoskaligen Keramik und der Kohlenstoffmatrix sehr stark sei, während die Poren des Vliesstoffs sehr klein seien. Infolgedessen komme es zu einer starken Streuung von Phononen, den kleinsten physikalischen Einheiten von Schwingungen, die durch thermische Energie verursacht werden. Ein kontinuierlicher gerichteter Wärmefluss finde nicht statt.

Wie ungewöhnlich die Kombination aus hoher elektrischer und extrem niedriger thermischer Leitfähigkeit ist, zeigt den Wissenschaftlern zufolge ein Vergleich mit rund 4000 anderen Materialien aller Art, darunter Keramiken, Kohlenstoffe, natürliche Materialien, synthetische Polymere, Metalle, Gläser und verschiedene Verbundstoffe. Elektronentransport und thermische Energieisolierung seien bei dem neuen elektrogesponnenen Faserverbundwerkstoff stärker gekoppelt als bei den anderen Materialien.

„Unsere elektrogesponnenen Vliese vereinen hochattraktive multifunktionale Eigenschaften, die normalerweise auf verschiedene Materialklassen verteilt sind: hohe elektrische Leitfähigkeit, thermische Isolierung, wie man sie von Polymerschäumen kennt, sowie Nichtentflammbarkeit und Hitzebeständigkeit, wie sie für Keramiken charakteristisch sind. Die Fasern basieren auf einem einfachen Materialkonzept und wurden aus handelsüblichen Polymeren hergestellt“, so Erstautor Dr. Xiaojian Liao, Postdoktorand für Makromolekulare Chemie an der Universität Bayreuth.

„Wir sind überzeugt, dass sich unsere neuen Fasern für mehrere Anwendungsbereiche eignen: zum Beispiel in den Bereichen Energiemanagement, batteriebetriebene Elektromobilität, intelligente Textilien oder Luft- und Raumfahrt“, sagt Prof. Dr. Seema Agarwal, Professorin für Makromolekulare Chemie an der Universität Bayreuth und eine der Autoren der neuen Studie.