Gemeinsamkeiten finden: Gecko-Füße und die Heat-Spring

Zweifellos haben Sie schon einmal eine klebrige, elastische FIgur gesehen, die man gegen eine Wand wirft und die langsam zu Boden sinkt. Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass die Zehen von Geckos ähnlich klebrig sind.

Denn wenn die Zehen eines Geckos die gleiche Haftkraft aufweisen würden, wäre es für ihn schwierig, zu gehen oder gar zu laufen. Raubtiere würden diesen Fehler der Evolution sehr genießen. Wenn wir uns den Fuß eines Geckos genauer ansehen, fühlen sich die Zehen tatsächlich weich und glatt an. Die Zehen bleiben nur dann an einer Oberfläche „haften“, wenn Mikrofasern – sogenannte Setae – zum Einsatz kommen und die Zehen parallel zur Oberfläche gleiten.

Die Heat-Spring^®der Indium Corporation macht sich die Natur zunutze: Die Formbarkeit von Indium minimiert den Oberflächenwiderstand und erhöht den Wärmefluss. Die Spitzen im Heat-Spring-Muster wirken wie die Zehen eines Geckos und ermöglichen es der Heat-Spring, an einer Oberfläche zu haften – im Gegensatz zu einer elastischen Feder sorgt die Haftung dafür, dass das Material während Wechselbeanspruchungen in Kontakt bleibt.

Die Setae bestehen aus dem Protein Beta-Keratin. Auf nanoskopischer Ebene führen die intermolekularen Kräfte der Setae zu einer Haftkraft von 1 bis 1000 Nanonewton – eine starke Adhäsion, die es einem Gecko ermöglicht, mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Meter pro Sekunde vertikal zu laufen. Doch dies verblasst im Vergleich zu dem vom Heat-Spring erreichbaren Druckbereich von 2,4 bar bis mehr als 7 bar.

Die Wissenschaftler der Indium Corporation waren der evolutionären Entwicklung weit voraus: Als der Heat-Spring vor Jahren von Bob Jarrett und Jordan Ross entwickelt wurde, geschah dies, um den Bedarf eines Kunden an einem hochleistungsfähigen Wärmeleitmaterialien (TIM) zu decken. Herkömmliche polymere TIM hatten damals aufgrund der geringen Leitfähigkeit der Polymere inhärente Probleme. In weniger als einem Jahr wurde die Heat-Spring geboren. Umgekehrt haben Forscher festgestellt, dass die Klebrigkeit der Gecko-Zehen Millionen von Jahren brauchte, um sich zu entwickeln, wie ein in kreidezeitlichem Bernstein eingeschlossener Gecko beweist.

Die Indium-Heat-Spring durchlief in den frühen Entwicklungsphasen viele Iterationen – vielleicht sollte man auch von „Evolution“ sprechen – als unsere Erfinder versuchten zu verstehen, wie sie den Kontaktwiderstand durch eine Veränderung der Oberflächenform des Indiums verringern können. Beachten Sie, dass das Hinzufügen eines Musters auch die Kontaktfläche verringerte. Dies schien den Grundsätzen der Wärmeübertragung zu widersprechen. Da sich der Wärmewiderstand jedoch aus drei Grundprinzipien zusammensetzt – Gesamtleitfähigkeit, Kontaktwiderstand und Bondliniendicke – könnte ein Teil der Gleichung den Gesamtwiderstand stärker beeinflussen als ein anderer. Da Indium weich ist und eine hohe Leitfähigkeit aufweist, konnten die Erfinder mit verschiedenen Oberflächen spielen.

Wie behebt dieser Indiumfilm die Mängel herkömmlicher Polymer-TIM (geringe Leitfähigkeit und thermisches Ungleichgewicht zwischen dem Polymer und den leitfähigen Füllstoffen)? Laut Jarrett: „Indium … ist sehr leitfähig und passt sich stark den Oberflächen der Schnittstelle an. Da es sich um ein Metall handelt, leitet es Wärme (und Elektrizität) mit seinen Elektronen, sodass das thermische Ungleichgewicht kein Problem ist. Polymere, Halbleiter und die keramischen Füllstoffe der Polymer-TIM sind auf Gitterschwingungen zur Wärmeleitung angewiesen. Wenn die Schwingungsfrequenzen nicht zusammen passen, wird die Wärmeübertragung bei jeder Schnittstelle innerhalb der TIM unterbrochen. Die Verwendung eines leitfähigen Metalls (wie Indium) vermeidet das Problem insgesamt.“

In der heutigen Welt ist das Internet immer stärker mit den Dingen verwoben, die wir am häufigsten benutzen: smarte Fernseher, Uhren, Kühlschränke, Thermostate usw. Diese Geräte sind mit großen Rechenzentren verbunden, die eine enorme Menge an Energie verbrauchen. Um schneller, energieeffizienter und nachhaltiger zu arbeiten, ist die Tauchkühlung eine Schlüsseltechnik für das Wärmemanagement in diesen Rechenanlagen. Die Komponenten werden in eine wärmeleitende, aber dielektrische Flüssigkeit oder Kühlflüssigkeit „getaucht“ und die Wärme wird durch die Zirkulation der Kühlflüssigkeit abgeleitet. Die Heat-Spring eignet sich aufgrund ihrer Komprimierbarkeit und ihres hohen Profils perfekt für diese Anwendung.

Ein weiterer Hinweis auf die Natur: Die Heat-Spring besteht aus reinem Indium, einem nachhaltigen Element, für das die Indium Corporation ein Rückgewinnungs- und Recyclingprogramm anbietet. Je nach Anwendung ist die Heat-Spring jedoch auch in einer Vielzahl von Legierungen erhältlich, darunter InSn, InAg und Sn+.

Mit herzlichem Dank an die genetische Evolution, die haftfüßige Geckos hervorgebracht hat, blicken die Forscher der Indium Corporation oft in die Natur, um sich bei der Entwicklung der nächsten Generation der Materialtechnik kreativ inspirieren zu lassen.

Verfasst von MarCom Specialist Christian Vischi.