Wasser, Luft und Strom wird durch Ventile oder Dioden nur in eine Richtung geleitet, der umgekehrte Weg bleibt verschlossen. Ein solches “Ventil” für Wärme schlagen nun erstmals italienische Physiker vor. Eine asymmetrische Kette aus Atomen, DNS-Molekülen oder gar lebenden Zellen könnten Vibrationen und damit Wärme nur in eine Richtung leiten. Diese Folgerungen aus Computer-Simulationen präsentieren die Forscher in der Fachzeitschrift Physical Review Letters (Vol. 88, Art. Nr. 094302).
Theoretisch kann ein solches Wärmeventil für die gezielte Kühlung von elektronischen Schaltkreisen oder zum Wärmetransport in winzigen chemischen Reaktoren auf einem Labor-Chip genutzt werden. Diese Idee von Marcello Terraneo, Physiker an der Insubria Universität im italienischen Como, und seinen Kollegen basiert darauf, dass Wärme durch die Vibrationen von Atomen in einer Kette weitergeleitet wird. In einer symmetrischen Kette setzt sich die Stärke dieser Schwingung harmonisch in beide Richtungen gleichmäßig fort. Ist sie allerdings asymmetrisch aufgebaut, ändern sich die Schwingungseigenschaften.
Ein relativ weiches Ende kann so Vibrationen und damit Wärme aufnehmen und zu dem anderen, steiferen Ende weiterleiten. Das steife Ende dagegen nimmt dagegen zwar Wärme auf, doch werden die Schwingungen auf dem Weg zum weichen Ende abgeblockt. Die Schwingung wird unharmonisch, so dass die Kette in eine Richtung als Wärmeleiter, in die andere aber als Isolator wirkt.
Aufbauend auf ihren Berechnungen glauben die Physiker, auch dreidimensionale Strukturen mit den “Hitzeventil”- Eigenschaften aufgebaut werden könnten. Solche thermischen Gleichrichter für den Einsatz in der Chemie oder in der Mikroelektronik sollen aus DNS-Molekülen oder Nanostrukturen bestehen.
Jan Oliver Löfken
