Neuartige Kleinststrukturen machen Computer und Smartphones energieeffizienter
Dank verbesserter Eigenschaften wie höherer Festigkeit, geringerem Gewicht, erhöhter elektrische Leitfähigkeit sowie chemischer Reaktivität finden Nanomaterialien breite Anwendung in Bereichen wie IKT, Energie und Medizin. So wurden beispielsweise Nanoröhren, Nanostäbchen und Nanodrähte von unterschiedlicher Größe, Struktur und chemischer Zusammensetzung erfolgreich für verschiedene Anwendungen in mechanischen, elektromechanischen, elektrischen und optoelektronischen Geräten synthetisiert. Nanomaterialien, definiert als Materialien mit mindestens einer äußeren Abmessung zwischen 1 nm und 100 nm oder mit inneren Strukturen von 100 nm oder weniger spielen eine entscheidende Rolle in der nächsten Generation von Mobiltelefonen, Computerchips, Batterien, autonomen Geräten und der Robotik. Es ist daher wichtig zu wissen, welche Kombination an strukturellen und elektrischen Eigenschaften für solche Materialien die beste Leistung für eine bestimmte Anwendung erzielt. Fachleute in den Bereichen Wissenschaft und Ingenieurwesen konzentrieren sich zunehmend auf die Herstellung von Nanomaterialien mit hoher Energieeffizienz. Aber je kleiner Nanomaterialien werden, desto schwieriger wird es, die bei der Informationsverarbeitung entstehende Wärme zu bewältigen. Das EU-finanzierte Projekt ENIGMA -(Engineering of Nanostructures with Giant Magneto-Piezoelectric and Multicaloric Functionalities) stellt sich diesen Herausforderungen. Wie auf der Projektwebsite erklärt wird, soll das Projekt die „Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in entwickelten nanostrukturierten multifunktionalen Materialien“ erforschen. „Es [ENIGMA] legt seinen Schwerpunkt auf die effiziente Umverteilung von Elektrizität in winzigen Maßstäben und nutzt dabei Durchbrüche in der Nanotechnologie, die neue Möglichkeiten und Anwendungen eröffnen, die noch vor wenigen Jahren als unmöglich galten“, heißt es in einem Artikel auf der Website der Europäischen Kommission. Wie in dem Artikel erklärt wird, haben die am Projekt beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen „permanenten statischen ‚negativen Kondensator‘ entwickelt“, ein Gerät, das noch vor etwa einem Jahrzehnt für unmöglich gehalten wurde. Zuvor vorgeschlagene Entwürfe für negative Kondensatoren arbeiteten auf einer temporären instationären Basis, aber der von ENIGMA entwickelte negative Kondensator ist der erste, der als stationäres reversibles Gerät funktioniert.“ Die Kapazität bezieht sich auf ein Maß der Menge elektrischer potenzieller Energie, die für ein gegebenes elektrisches Potenzial gespeichert oder getrennt wird. In demselben Artikel wird hinzugefügt: „Der vorgeschlagene Ansatz nutzt Eigenschaften ferroelektrischer Materialien mit einer spontanen Polarisation, die durch ein äußeres elektrisches Feld umgekehrt werden kann. Eine Erhöhung der Ladung am positiven Kondensator erhöht die Spannung. Beim negativen Kondensator ist es umgekehrt – seine Spannung sinkt mit zunehmender Ladung.“ Eine Kombination der beiden Kondensatoren „ermöglicht die Verteilung von Elektrizität in Bereiche des Schaltkreises, die eine höhere Spannung benötigen, während der gesamte Schaltkreis mit einer niedrigeren Spannung arbeitet.“ Dies ist eine entscheidende Entwicklung, da sie dazu beiträgt, Überhitzungsprobleme zu bekämpfen, die die Leistung konventioneller Rechnerschaltkreise beeinträchtigen. „Aufbauend auf dieser Forschungsarbeit entwickeln wir eine praktische Plattform für die Implementierung von Geräten für die Informationsverarbeitung, die mit einem extrem niedrigen Energieverbrauch betrieben werden können“, sagt Forschungsleiter Igor Lukyanchuk. Die Steigerung der Leistung von Prozessoren bedeutet, dass Smartphones und andere elektronische Geräte energieeffizienter werden. Das Projekt ENIGMA, das Ende 2021 ausläuft, wird Wissenschaftlern auch dabei helfen, neue Nanostrukturen für zukünftige Photovoltaik-Materialien zu entwickeln. „Die aus ENIGMA hervorgehenden Ergebnisse versprechen bedeutende neue Gelegenheiten und Möglichkeiten für Hightech-Industrien, insbesondere bei der Beantwortung aktueller Fragen des Energieverbrauchs und der Energieernte, wodurch sich Anwendungen in vielen Bereichen ergeben“, so der Artikel der Europäischen Kommission. Weitere Informationen: ENGIMA-Projektwebsite
Länder
Frankreich