Die gezielte Kontrolle von W?rmetransport in Nanostrukturen ist für zahlreiche moderne Technologien von zentraler Bedeutung – von leistungsstarken Computerchips, die gekühlt werden müssen, bis hin zu Energiewandlern – und ist ein hochaktuelles Forschungsgebiet. W?hrend in den vergangenen Jahren gro?e Fortschritte beim Verst?ndnis erzielt wurden, wie sich W?rmetransport durch Nanostrukturierung beeinflussen l?sst, war bislang ungekl?rt, ob bereits der Austausch eines einzigen Atoms in einem Molekül den Phononentransport – also den W?rmetransport durch Gitterschwingungen – messbar ver?ndern kann. In einer neuen Studie zeigt ein internationales Forscherteam aus Augsburg und Ann Arbor (Michigan, USA) nun, dass dies tats?chlich m?glich ist. Im Zentrum der Untersuchung stehen sogenannte Einzelmolekülkontakte, bei denen ein einzelnes Molekül zwei Goldelektroden verbindet – die kleinsten denkbaren thermischen Bauelemente.

Systematische Variation durch Halogensubstitution

Ausgangspunkt der Studie ist das sogenannte Benzoldiamin (BDA). Das Molekül besteht aus einem Benzolring – einem der elementaren Bausteine der organischen Chemie – sowie zwei Stickstoffgruppen, den Aminogruppen, die eine gezielte Kontaktierung durch Goldelektroden erm?glichen. An dem Benzolring wurde systematisch ein einzelnes Wasserstoffatom durch immer schwerere Halogenatome ersetzt: Fluor, Chlor, Brom und Iod. W?hrend sich die elektrische Leitf?higkeit dieser molekularen Kontakte durch die Substitution kaum ver?ndert, zeigen die Messungen einen klaren Trend beim W?rmetransport: Je schwerer das eingesetzte Atom, desto geringer der thermische Leitwert. Der Unterschied zwischen dem unsubstituierten Molekül und der iodsubstituierten Variante betr?gt dabei nahezu einen Faktor zwei.

?Dass einzelne Atome den W?rmetransport so stark beeinflussen, w?hrend der Ladungstransport praktisch unver?ndert bleibt, er?ffnet die faszinierende M?glichkeit, W?rme und elektrischen Strom in molekularen Materialien unabh?ngig voneinander zu steuern", sagt Prof. Dr. Fabian Pauly, dessen Theoriegruppe am Institut für Physik der Universit?t Augsburg die Grundlagen dieser Beobachtungen aufgekl?rt hat.

Neuartige Theorie erkl?rt die Mechanismen

Die Studie baut auf einer langj?hrigen Zusammenarbeit zwischen der Theoriegruppe von Prof. Fabian Pauly an der Universit?t Augsburg und den experimentellen Arbeitsgruppen von Prof. Edgar Meyhofer und Prof. Pramod Reddy an der University of Michigan auf. Gemeinsam gelangen den Teams in den vergangenen Jahren bereits wegweisende Durchbrüche auf dem Gebiet des thermischen Transports auf atomarer und molekularer Ebene. Die vorliegende Arbeit knüpft an diese Erfolge an und erweitert das Verst?ndnis um die gezielte Kontrolle des W?rmetransports durch Einzelatomsubstitution.

Das Team in Michigan hat für die Messungen einen neuartigen kalorimetrischen Rastersondenmessfühler entwickelt, der dank eines Niobnitrid-Thermometers eine um eine Gr??enordnung h?here Aufl?sung bei kryogenen Temperaturen (ca. -180 °C) erreicht als bisherige Systeme. Durch besonders scharfe Spitzen der Rastersonde und die kalten Temperaturen konnte erstmals ein vernachl?ssigbar kleiner thermischer Hintergrund realisiert werden – eine wichtige Voraussetzung für die Messung der au?erordentlich kleinen W?rmestr?me durch einzelne Moleküle.

Matthias Blaschke, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Fabian Pauly und einer der beiden Erstautoren der Studie, reiste im Rahmen des Projekts an die University of Michigan, um in engem Austausch mit den amerikanischen Projektpartnern zusammenzuarbeiten. ?Der pers?nliche Kontakt vor Ort hat es mir erm?glicht, die Rechnungen unmittelbar mit den Messdaten abzugleichen und so die physikalischen Mechanismen hinter der beobachteten Abschw?chung des W?rmetransports aufzukl?ren“, sagt Matthias Blaschke. Konkret zeigen die Augsburger Berechnungen, dass die Substitution durch schwerere Atome die hohe Symmetrie des Moleküls bricht und dadurch konstruktive Interferenzen zwischen den Schwingungsmoden unterdrückt werden. Bei besonders schweren Substituenten wie Brom und Iod treten zudem neue Antiresonanzen in der Transmissionsfunktion auf, die den W?rmefluss zus?tzlich verringern.

?Diese langj?hrige Partnerschaft zwischen Augsburg und Michigan, gepr?gt von intensivem wissenschaftlichem Austausch, ist die Grundlage für die Durchbrüche, die wir in den letzten Jahren gemeinsam erzielen konnten“, betont Prof. Fabian Pauly.

Bedeutung für zukünftige Anwendungen

Die gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur für das Grundlagenverst?ndnis des W?rmetransports auf atomarer Ebene relevant. Sie liefern auch wichtige Hinweise, wie sich der W?rmetransport in metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs), kovalenten organischen Gerüstverbindungen (COFs) und molekularen thermoelektrischen Materialien gezielt optimieren l?sst. In all diesen Materialklassen bilden Moleküle die Verbindungselemente, und die gezielte Substitution einzelner Atome k?nnte als neues Designprinzip dienen, um thermische Eigenschaften ma?zuschneidern.

F?rderung

Die Arbeiten an der Universit?t Augsburg wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1585 (Projektnummer 492723217, Teilprojekt C02) gef?rdert. Die Rechnungen wurden auf dem LiCCA-Hochleistungsrechner der Universit?t Augsburg durchgeführt (DFG-Projektnummer 499211671). Die experimentellen Arbeiten in Michigan wurden vom US Department of Energy (Basic Energy Sciences, Award Number DESC0004871), dem Office of Naval Research (Award Number N00014-24-1-2132), der National Science Foundation (Award Number CBET 2232201) und dem Army Research Office (Award Number W911NF2310260) unterstützt.

Zur Publikation

Yuxuan Luan*, Matthias Blaschke*, Yuji Isshiki, Jian Guan, Fabian Pauly, Edgar Meyhofer & Pramod Reddy, Tuning Phonon Transmission via Single-Atom Substituents. Nature Materials [2026]. (*Geteilte Erstautorenschaft):? https://www.nature.com/articles/s41563-026-02568-9

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