Schallgeschwindigkeit verrät Wärmeleitfähigkeit von Glas
Ob Glas als Wärmemanager in elektronischen Bauteilen dienen oder Wärme zurückhalten soll, hängt maßgeblich von seiner Wärmeleitfähigkeit ab. Bislang war es jedoch schwierig, diese Eigenschaft bei unterschiedlichen Glasrezepturen vorherzusagen, da die ungeordnete Atomstruktur von Glas die theoretische Bestimmung erschwert. Forscher der Tohoku University in Sendai unter Leitung des außerordentlichen Professors Sohei Sukenaga haben nun an 13 verschiedenen Silikatgläsern einen klaren Zusammenhang entdeckt: Die Schallgeschwindigkeit im Material verrät, wie gut es Wärme leitet.
Für ihre Untersuchung stellten die Wissenschaftler 13 unterschiedliche Silikatgläser aus Siliziumdioxid mit Zusätzen von Lithium-, Natrium-, Calcium- oder Bleioxid her und verglichen deren thermische Eigenschaften bei Raumtemperatur. Dabei analysierten sie neben der Wärmeleitfähigkeit auch die Schallgeschwindigkeit, die volumetrische Wärmekapazität sowie die mittlere freie Weglänge der Phononen – also der quantisierten Schwingungen, über die Wärme in solchen Materialien vor allem übertragen wird. Die Auswertung zeigte, dass sich die Wärmeleitfähigkeit der untersuchten Proben annähernd linear aus der Schallgeschwindigkeit ableiten lässt: Je schneller sich Schall durch das Glas ausbreitet, desto höher ist die gemessene Wärmeleitfähigkeit.
Dieser einfache Kennwert könnte die Entwicklung künftiger Glaswerkstoffe erleichtern, da sich bei der Zusammensetzung gezielter auf die Schallgeschwindigkeit achten ließe, anstatt mehrere komplexe Wärmetransport-Eigenschaften unabhängig voneinander zu optimieren. Das Team schränkt jedoch ein, dass die Ergebnisse bislang an 13 Silikatgläsern bei rund 25 Grad Celsius ermittelt wurden. Ob die Regel auch für andere Glasarten oder bei abweichenden Temperaturen gilt, müssen weitere Untersuchungen zeigen.
