Et krystallinsk materiale med lavere varmeledningsevne end både glas og vand lyder umiddelbart som en umulighed. Men det er netop, hvad forskere fra Aarhus Universitet har dokumenteret i det komplekse stof med den kemiske formel AgGaGe₃Se₈.

Ved stuetemperatur leder materialet varme tre gange dårligere end vand og fem gange dårligere end glas – og det på trods af, at det er en krystal med velordnet struktur. Opdagelsen udfordrer den klassiske skelnen mellem krystaller og amorfe materialer og giver ny indsigt i, hvordan varme bevæger sig i faste stoffer. Der er ingen grund til at prøve at udtale AgGaGe₃Se₈.

»Jeg kalder det selv det sølv-gallium-germanium-selenid, som er navnene på de fire grundstoffer, det består af,« fortæller Peter Skjøtt Thorup, som er postdoc på Institut for Kemi på Aarhus Universitet.
»Materialet har været kendt i en årrække, men hidtil har man kun undersøgt dets optiske egenskaber. Vi er de første, der har målt dets varmeledningsevne og kortlagt, hvorfor den er så lav,« forklarer han.

Det viser sig, at krystallen opfører sig som glas over et usædvanligt stort temperaturområde – fra tæt på det absolutte nulpunkt og op til 400 grader Celsius. Forklaringen ligger i sølvatomerne i krystallen: Normalt sidder atomerne i en krystal som soldater på række, men her er sølvatomerne mere som rastløse børn i et klasselokale – de sidder løst og er hele tiden i bevægelse.

Det har stor betydning for varmeledning. De varmebærende vibrationer – kaldet fononer – bliver hele tiden forstyrret og spredt af sølvets uro, så varmen ikke kan bevæge sig effektivt gennem strukturen. Resultatet er, at den ellers regelmæssige krystal termisk opfører sig som et amorft materiale.

Materialer med ekstremt lav varmeledningsevne er interessante i en række teknologiske sammenhænge – for eksempel i termoelektriske moduler, hvor spildvarme omdannes til strøm, eller som varmeisolerende lag i elektronik og højtemperaturkomponenter.

Men AgGaGe₃Se₈ er ikke umiddelbart klar til praktisk brug. Det leder ikke elektricitet særligt godt, og det indeholder germanium, som er et relativt dyrt og sjældent grundstof. Før materialet kan komme i spil teknologisk, skal det doteres – altså tilføres små mængder af andre grundstoffer, der kan justere dets elektriske egenskaber.

Opdagelsen er derfor først og fremmest et bidrag til grundforskningen. Den viser, at selv i velordnede materialer kan uforudsigelig atomar bevægelse føre til helt nye egenskaber. Og at grænsen mellem orden og uorden i materialefysikken ikke altid er så skarp, som man skulle tro.

Peter Gammelby, Aarhus Universitet. Kilde: Science Advances, Vol 11, Iss. 24/ DOI: 10.1126/sciadv.adv5865.