Hoch

23. Mai 2022

von der King Abdullah University of Science and Technology

Die Kombination mehrerer Kohlenstoffnanomaterialien in einer einzigen Substanz kann zu überraschenden Eigenschaften führen. KAUST-Forscher haben dünne Graphitfilme entwickelt, die als flexible Hochleistungsheizpaneele fungieren könnten und bei Anlegen einer kleinen Spannung innerhalb von Sekunden mehrere hundert Grad erreichen könnten. Sie zeigten auch, dass der Schlüssel zur außergewöhnlichen Heizleistung des Materials Graphendomänen innerhalb des Graphitfilms sind.

Als hervorragende Wärmeleiter werden graphitische Kohlenstoff-Nanomaterialien zunehmend für das Wärmemanagement eingesetzt, beispielsweise zur Wärmeableitung von Mikrochips. Die gleichen Materialien könnten auch als Elektroheizungen verwendet werden.

„Es besteht die Notwendigkeit, flexible Heizpaneele mit geringem Stromverbrauch zu entwickeln, und Nanokohlenstoffe sind die Hauptanwärter“, sagt G. Deokar, Postdoktorand in Pedro Costas Labor, der die Arbeit leitete. „Bisher ist ihre elektrothermische Leistung jedoch begrenzt“, fügt sie hinzu. Heizgeräte auf Nanokohlenstoffbasis benötigen üblicherweise eine Eingangsspannung von 20–60 Volt, um eine Zieltemperatur von 250 Grad Celsius zu erreichen. Außerdem können sie sich beim Erhitzen an der Luft schnell zersetzen.

Costa, Deokar und ihre Kollegen haben kürzlich eine Methode zur Herstellung nanoskaliger dicker Graphitfilme (NGFs) im Wafermaßstab entwickelt. Sie konnten sie auch problemlos auf beliebige Substrate übertragen, ohne die bei Graphenplatten häufig vorhandenen Rückstände. „Diese Eigenschaften des NGF veranlassten uns, ihre Anwendung in Wärmemanagementtechnologien zu untersuchen“, sagt Deokar.

Als das Team NGFs auf flexiblen Kaptonplatten platzierte und Goldelektroden anbrachte, stellte sich heraus, dass ihre Heizleistung weitaus besser war als zuvor berichtete Nanokohlenstoff-Heizungen. Bei einer Spannung von weniger als 8 Volt erreichte das Material innerhalb von Sekunden eine Zieltemperatur von 300 Grad Celsius. Die Abkühlung erfolgte ebenso schnell. „Wir beobachteten außerdem eine hervorragende Stabilität und zeigten, dass der NGF als externes wiederverwendbares Pflaster zum Kochen von Wasser verwendet werden kann“, sagt Deokar.

„Wir haben sie bei doppelt so hoher Maximaltemperatur wie andere Nanokohlenstoffe betrieben (bei etwa der halben Leistungsaufnahme) und auch die nutzbare Heizfläche wurde vergrößert, was bedeutet, dass die Effizienz des Panels deutlich besser war“, fügt Pedro hinzu.

Mögliche Anwendungen für das Material könnten von Miniaturheizgeräten für Sensoren oder mikrofluidische Geräte bis hin zu Heizgeräten im industriellen Maßstab reichen, beispielsweise für Scheibenheizungen in der Luftfahrt oder Raumwärmeregler.

Das Team geht davon aus, dass die hervorragende Leistung des NGF auf das Vorhandensein von Graphendomänen und Falten im Material zurückzuführen ist, die als Hotspots fungieren. „Diese Strukturmerkmale sind über die gesamte NGF-Oberfläche verteilt und erklären die hohen Temperaturen und die gleichmäßige Wärmeverteilung“, sagt Deokar.

Obwohl Falten in anderen nanoskaligen Graphitfilmen üblich sind, sind die Graphendomänen in unseren NGFs einzigartig, fügt Pedro hinzu. „Wir wollen das Vorhandensein und die Funktion der Graphendomänen besser verstehen“, sagt er.

Mehr Informationen: Geetanjali Deokar et al, Flexible, luftstabile Hochleistungsheizungen auf Basis nanoskaliger Graphitfilme, ACS Applied Materials & Interfaces (2022). DOI: 10.1021/acsami.1c23803

Geetanjali Deokar et al., Schnelles Wachstum eines nanometerdicken Graphitfilms auf Ni-Folie im Wafermaßstab und seine Strukturanalyse, Nanotechnology (2020). DOI: 10.1088/1361-6528/aba712

Geetanjali Deokar et al., Wachstum halbtransparenter Graphitfilme auf Ni und ihre doppelseitige polymerfreie Übertragung, Wissenschaftliche Berichte (2020). DOI: 10.1038/s41598-020-71435-7

Zeitschrifteninformationen:Nanotechnologie, Wissenschaftliche Berichte, ACS Applied Materials and Interfaces

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