Ein Forschungsteam der School of Engineering der Columbia University hat ein hybrides Kristallglasmaterial mit einzigartigen Wärmeleiteigenschaften entdeckt. Diese Entdeckung dürfte zu Durchbrüchen in der Wärmemanagementtechnologie in elektronischen Geräten, der Abwärmerückgewinnung und der Luft- und Raumfahrt führen. Die Forschungsergebnisse wurden am 11. Juli in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Michele Simoncelli, Assistenzprofessor für Angewandte Physik und Angewandte Mathematik, kombinierte die Theorie der Quantenmechanik mit Techniken des maschinellen Lernens, um die Wärmeleitfähigkeit eines einzigartigen Siliziumdioxid-Materials erfolgreich vorherzusagen und zu verifizieren. Dieses als Tridymit bekannte Material wurde erstmals in Meteoriten entdeckt und später auf dem Mars nachgewiesen. Seine Wärmeleitfähigkeit bleibt in einem Temperaturbereich von 80 bis 380 Grad Celsius stabil.

„Zum ersten Mal haben wir theoretisch vorhergesagt und experimentell bestätigt, dass ein Material sowohl die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von Kristallen als auch von Gläsern aufweisen kann“, sagte Simoncelli. Diese Forschung baut auf der 2019 vom Team vorgeschlagenen einheitlichen Theorie auf, die die sehr unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeitsphänomene in Kristallen und Gläsern erfolgreich erklärt.

Ein Forscherteam der Sorbonne-Universität in Frankreich testete Proben des Steinbach-Meteoriten von 1724 in Deutschland und bestätigte damit theoretische Vorhersagen. Etienne Balan, der leitende Forscher des Experiments, bemerkte: „Die Wärmeleitfähigkeit dieses Materials ähnelt dem bekannten Invar-Effekt und bietet neue Einblicke in das Wärmemanagement bei extremen Temperaturschwankungen.“

Diese Entdeckung hat wichtige industrielle Anwendungen. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass feuerfeste Steine in Stahlwerken nach längerem Einsatz ähnliche Strukturen entwickeln könnten. Simoncellis Team ist davon überzeugt, dass die auf dieser Entdeckung basierenden neuen Materialien das Potenzial haben, die thermische Effizienz des Stahlherstellungsprozesses zu verbessern und die Kohlenstoffemissionen der Stahlindustrie technisch zu reduzieren.

Das Forschungsteam erweitert diese Entdeckung nun auf ein breiteres Anwendungsspektrum. Mithilfe KI-gestützter First-Principles-Berechnungen entwickelt es neuartige thermoelektrische Materialien, Perowskit-Solarzellen und Wärmedämmschichten. Diese Technologien dürften neue Bereiche wie tragbare Geräte und neuromorphes Computing voranbringen.

Weitere Informationen: Michele Simoncelli et al., „Wärmeleitfähigkeit in temperaturinvarianten kristallinen Gläsern: Von Meteoriten bis zu Feuerfestmaterialien“, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). Zeitschrifteninformationen: Proceedings of the National Academy of Sciences