Robuste Superkristalle

Materialwissenschaftler∗innen der TU Hamburg wollen Hightech-Anwendungen revolutionieren

16.08.2022

Nanopartikel haben einen Durchmesser von etwa einem Millionstel Millimeter und sind so klein, dass sie für das menschliche Auge unsichtbar sind. Doch gerade ihre geringe Größe birgt viele Vorteile. Werden einzelne Nanopartikel zu einer geordneten Struktur - einem sogenannten Superkristall - zusammengefügt, ergeben sich neue kollektive Eigenschaften. Dies bietet Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern einzigartige Möglichkeiten, Materialien mit neuen, aufregenden Eigenschaften zu entwickeln. Eine Sensation, wenn da nicht die Tatsache wäre, dass die einzelnen Nanopartikel innerhalb eines Superkristalls in der Regel nur schwach zusammengehalten werden und die entstehenden makroskaligen Materialien daher mechanisch brüchig sind. "Stellen Sie sich vor, Sie wollen eine Sandburg bauen. Wenn der Sand trocken ist, werden die einzelnen Sandkörner kaum zusammengehalten. Sobald aber etwas Wasser ins Spiel kommt, bilden sich kleine Wasserbrücken zwischen den einzelnen Körnern, die das Bauwerk zusammenhalten", erklärt Dr. Berta Domènech, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Technischen Universität Hamburg und jetzt Wissenschaftlerin bei ams-OSRAM. Einem ähnlichen Konzept folgend, schlagen Forschende der TU Hamburg eine Strategie zur Bildung neuartiger Hybridmaterialien aus Nanopartikeln vor, die so hart wie Diamant und so verformbar wie Metall sind.

Superkristall mit Antihaftbeschichtung 
Auf die Idee, dauerhafte Brücken zwischen Nanopartikeln zu schaffen, kam das Forscherteam schließlich in der Küche, genauer gesagt bei der Betrachtung einer herkömmlichen Gusseisenpfanne. Sie hat eine einzigartige Antihaftbeschichtung, die sich bildet, wenn Fette auf der Eisenoberfläche eingebrannt werden. Das Ergebnis ist eine sehr harte und haltbare Oberfläche. "Wir haben uns gefragt, was passieren würde, wenn wir nach dem gleichen Prinzip einen Superkristall aus Eisenoxid-Nanopartikeln herstellen und diesen mit fettähnlichen organischen Molekülen stabilisieren würden", sagt Alexander Plunkett, Materialforscher an der TU Hamburg. Das Ergebnis ist, dass sich auch innerhalb des Superkristalls eine Schicht bildet, die die Nanopartikel im Material fest zusammenhält, ohne die Nanostruktur negativ zu beeinflussen. "Unser Ergebnis ist ein wichtiger Meilenstein, um die Nanotechnologie in Zukunft noch effektiver zu nutzen. In einem nächsten Schritt wollen wir mehr über die funktionellen Eigenschaften unserer 3D-Superkristalle herausfinden. Durch das verwendete Eisenoxid in Nanogröße ist das Material nämlich superparamagnetisch - eine Eigenschaft, die normalerweise nur in Nanopartikeln vorkommt - und kann daher für E-Motoren oder Mikrorobotik von großem Interesse sein", so Plunkett weiter.

Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des TU-Sonderforschungsbereichs 986 "Tailored Multiscale Material Systems" gefördert. Neben der TU Hamburg sind auch das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY), die Universität Hamburg und die Vrije Universität in Brüssel beteiligt. Weitere Details finden sich in dem Artikel "Strengthening Engineered … nformation and Reactivity" in der Fachzeitschrift ACS Nano.

TUHH - Pressestelle