Bessere Wärmeleitfähigkeit durch geänderte Atomanordnung

Medienmitteilung der Universität Basel vom 19.07.2019

Die Anpassung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien ist eine aktuelle Herausforderung in den Nanowissenschaften. Forschende der Universität Basel haben mit Kolleginnen und Kollegen aus den Niederlanden und Spanien gezeigt, dass sich allein durch die Anordnung von Atomen in Nanodrähten atomare Vibrationen steuern lassen, welche die Wärmeleitfähigkeit bestimmen. Die Wissenschaftler veröffentlichten die Ergebnisse kürzlich im Fachblatt «Nano Letters».

In der Elektronik- und Computerindustrie werden die Komponenten immer kleiner und leistungsfähiger. Problematisch ist dabei die Wärmeentwicklung, die durch mechanische Wellen zustande kommt. Daher ist es wichtig, diese Wellen – sogenannte Phononen – genau zu untersuchen und ihr Verhalten im Material zu verstehen. Die Forschung geht heute sogar noch einen Schritt weiter und entwirft ganz gezielt Materialien, mit denen sich die Ausbreitung der Phononen steuern lässt. Zum einen, um Materialien herzustellen, die Wärme sehr schnell abgeben und sich daher nur wenig aufheizen. Zum anderen, um Wärmeunterschiede möglichst lange aufrecht zu halten und zur Stromerzeugung zu nutzen.

Verbesserte Ausbreitung durch Drehung

Die Gruppe von Prof. Dr. Ilaria Zardo vom Departement Physik und dem Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel untersucht Materialien, die massgeschneiderte Eigenschaften in der Aussendung und Verbreitung von Phononen haben. Im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit unter der Leitung von Zardo konnten die Nanowissenschaftler nun erstmals zeigen, dass allein die Anordnung der Atome einen Einfluss auf die Phononen und somit auf die Wärmeleitfähigkeit hat.

Die Forschenden haben dazu Galliumphosphid-Nanodrähte hergestellt, bei denen aufeinanderfolgende Kristalllagen gegeneinander periodisch um 60 Grad verdreht sind. Es bildet sich durch diese Anordnung eine Überstruktur, in der sich Phononen kohärent ausbreiten – die Wärme also sehr effektiv leiten.

Grenzflächen ohne Fehler

Bisher wurden derartige Überstrukturen aus periodisch angeordneten Lagen unterschiedlicher Materialien hergestellt. Die Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien sind jedoch oft nicht klar definiert, und es treten Fehler auf, welche die Ausbreitung der Phononen und damit die Wärmeleitfähigkeit massiv reduzieren.

Bei den vorliegenden Untersuchungen wiesen die Forschenden nach, dass derartige Störeffekte nicht auftreten, wenn das Material der Lagen identisch ist, sich jedoch durch die Anordnung der Atome unterscheidet. Und obwohl die Lagen aus demselben Material bestehen, verändern sich allein durch Drehung der Lagen gegeneinander die phononischen Eigenschaften. Bislang stand es noch zur Debatte, ob sich diese neuartigen Systeme wie herkömmliche Übergitter verhalten.

Die Studie ist in Zusammenarbeit des Departements Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts (SNI) mit der Technischen Universität Eindhoven, der Universitat Autònoma de Barcelona und dem Institut de Ciència de Materials de Barcelona entstanden.

Originalbeitrag:
Marta De Luca, Claudia Fasolato, Marcel A. Verheijen, Yizhen Ren, Milo Y. Swinkels, Sebastian Kölling, Erik, P. A. M. Bakkers, Riccardo Rurali, Xavier Cartoixà, Ilaria Zardo
Phonon Engineering in Twinning Superlattice Nanowires
Nano Letters (2019), doi: 10.1021/acs.nanolett.9b01775

Externer Link: www.unibas.ch

Keine Fettabdrücke dank Nanolack

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.07.2019

Fettige Fingerabdrücke auf glänzenden Edelstahloberflächen sehen nicht nur unschön aus, sondern greifen auch die Oberfläche an. Ein neuer Nanolack von Fraunhofer-Forscherinnen und Forschern soll künftig verhindern, dass beim Anfassen von Edelstahlfronten lästige Fingerabdrücke zurückbleiben. Möglich machen es spezielle Nanopartikel, die dem Lack zugesetzt werden.

Der neue Kühlschrank glänzt in moderner Edelstahloptik. Doch schon nach kurzer Zeit ist die Front übersät mit dunkel wirkenden Fingerabdrücken, die sich mit Lappen und Putzmittel nur mühsam entfernen lassen – es ist vielmehr aufwändiges Polieren gefragt. Solche Fingerabdrücke sind nicht nur ein optisches Ärgernis, denn der Fettfilm greift zudem die Oberfläche an.

Fettabdrücke adé

Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle bereiten solchen Fettabdrücken nun ein Ende, gemeinsam mit ihren Kollegen der FEW Chemicals GmbH Wolfen. Der Clou liegt in einer Beschichtung mit einem Lack, der spezielle Zusätze enthält und wasser- und ölabweisend ist. Dazu kommen zwei weitere Effekte: Lagern sich die im Lack befindlichen integrierten Partikel an der Oberfläche des Edelstahls an, wird die Oberfläche rauer und vergrößert sich. Fasst nun ein Finger etwa an die Kühlschranktür, berührt dieser die Oberfläche nur an den erhöhten Stellen, während das Fingerfett die tiefer liegenden »Täler« nicht erreicht. Die Fläche, mit dem das Fingerfett in Berührung kommt, ist also recht klein. Zudem ist der Brechungsindex des Lacks so eingestellt, dass er dem des Fettgehalts des Fingers entspricht. Das heißt: Das Licht, das auf die beschichtete Edelstahl-Oberfläche fällt, wird in etwa so reflektiert wie an einer Oberfläche, die mit einem »Fingerpatscher« versehen ist. Ergo: Der Fingerabdruck fällt kaum auf.

Analyse der Schichtsysteme

Während die FEW Chemicals GmbH die Entwicklung der Lacksysteme übernimmt, widmet sich das Fraunhofer-Team der Analyse dieser Schichten. »Wir untersuchen die hergestellten Schichten zum einen über Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie. Wie groß sind die einzelnen Partikel im Lacksystem? Sind die Partikel homogen verteilt? Wie wirken sich die eingesetzten Additive aus?«, erläutert Dr. Jessica Klehm, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Geschäftsfeld »Biologische und makromolekulare Materialien« am Fraunhofer IMWS. Solcherlei Fragen sind extrem wichtig, um die Qualität des Lacks beurteilen zu können. Lagern sich die Nanopartikel beispielsweise zu größeren Partikeln zusammen, büßt der Lack eventuell seine Transparenz ein. Sind die Teilchen dagegen zu klein, bleibt die Oberfläche zu glatt – der Fettfilm könnte dann trotz des Lacks großflächig an ihr haften.

Um diese Untersuchungen zu ermöglichen, galt es einige Hindernisse zu überwinden. So müssen die Proben beispielsweise in ihren Abmessungen verkleinert werden: Für eine optimale Untersuchung mit dem Lichtmikroskop sowie für die Weiterverarbeitung mit anderen Untersuchungsmethoden sollten die Proben nicht dicker sein als 60 bis 80 Mikrometer – also etwa so dick wie ein menschliches Haar –, für eine Untersuchung im Transmissionselektronenmikroskop sogar noch tausendmal dünner. »Mit einer Säge können wir die Proben nicht zurechtschneiden, sie würde die Beschichtung zerstören. Wir betten die Proben daher in Harz ein und schleifen sie dann auf die gewünschte Dicke herunter«, erklärt Frau Dr. Klehm.

Automatische Prüfmaschine quantifiziert Antifingerprintwirkung

Darüber hinaus entwickeln die Forscherinnen und Forscher eine automatische Prüfmaschine für die Schichten. Diese soll nicht die Partikel im Lack untersuchen, sondern die Sichtbarkeit der Fingerabdrücke selbst. Dazu taucht ein Stempel in eine Lösung, deren Zusammensetzung dem Fettfilm auf der menschlichen Haut ähnelt. Automatisiert, mit stets identischer Kraft und jeweils gleich lange drückt dieser Stempel anschließend auf die beschichtete Oberfläche, um dort einen »Fingerabdruck« zu hinterlassen. Über eine Kombination aus spektrometrischen und optischen Verfahren soll die Prüfmaschine schließlich analysieren, wie viel Lösung auf der Oberfläche verblieben ist – und damit, wie viel Prozent Antifingerprint-Wirkung der Lack aufweist. Welche Kombination von Analysegeräten hierfür optimal ist, untersuchen die Wissenschaftler derzeit.

Einen Favoriten unter den verschiedenen untersuchten Lacksystemen haben die Forscher bereits gefunden. Nun gilt es, diesen weiter zu optimieren. Bis Ende 2020 soll die Entwicklung abgeschlossen sein, dann wird die FEW Chemicals GmbH die Herstellung des Lacksystems in einen industriellen Maßstab übertragen.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Ein Transistor für alle Fälle

Presseinformation der LMU München vom 19.03.2019

Ob Handy, Kühlschrank oder Flugzeug: Transistoren sind überall verbaut. LMU-Physiker haben jetzt einen nanoskopisch kleinen Transistor aus organischem Halbleitermaterial entwickelt, der sowohl bei niedrigem als auch hohem Strom bestens funktioniert.

Transistoren sind Halbleiter-Bauelemente, die in elektrischen Schaltungen Spannungen und Ströme steuern. Im gleichen Maße wie viele elektrische Geräte immer leistungsfähiger und gleichzeitig kleiner werden, gilt dies auch für Transistoren. Bei anorganischen Bauelementen sind Abmessungen unter 100 Nanometer bereits Standard.

Organische Halbleiter können hier noch nicht mithalten, denn ihre Leistung bezüglich des Ladungstransports ist deutlich geringer. Doch ihre Strukturen bieten andere Vorteile. Sie lassen sich großindustriell drucken, die Materialkosten sind niedrig und sie können transparent auf flexible Oberflächen wie Folien aufgebracht werden. Daher arbeiten Thomas Weitz, Professor für Physik an der LMU und Mitglied in der Nanosystems Initiative Munich, und seine Gruppe an der Optimierung der organischen Transistoren. In ihrer aktuellen Publikation in Nature Nanotechnology präsentieren sie Transistoren, die durch ihren ungewöhnlichen Aufbau sehr klein, leistungsstark und anpassungsfähig sind. Über wenige Parameter lässt sich beispielsweise bei der Herstellung steuern, ob der Halbleiter für hohe oder niedrige Stromdichten optimiert sein soll. Das Besondere ist eine untypische Geometrie, die es zudem erlaubt, die nanoskopisch kleinen Transistoren leichter herzustellen.

„Unser Ziel war es, Bauteile zu entwickeln, die zwei Aufgaben kombinieren“, sagt Thomas Weitz „Einerseits die Fähigkeit, bei hohen Strömen als klassische Transistoren zu fungieren, und andererseits bei Niedrigstrom arbeiten zu können.“ Potenzielle Einsatzgebiete sind organische LEDs oder Sensoren, denn hier werden niedrige Spannungen, hohe Ströme oder große Transkonduktanzen benötigt. Besonders interessant könnte die Verwendung in sogenannten memristiven Elementen sein. „Man kann sich einen Memristor als ein Element vorstellen, das sich beim Verarbeiten elektrischer Signale wie ein Netzwerk von Neuronen verhält und seine Eigenschaften abhängig von dem Zustand, in dem es sich befindet, verändert“, erklärt Weitz. „Durch das genaue Anpassen der Geometrie unserer memristiven Elemente können diese für verschiedene Anwendungen wie beispielsweise Lernprozesse in künstlichen Synapsen eingesetzt werden.“

Die Forscher haben ihren Transistor bereits zum Patent angemeldet, damit er für die industrielle Anwendung weiterentwickelt werden kann.

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Datenspeicherung mit einzelnen Molekülen

Medienmitteilung der Universität Basel vom 17.12.2018

Forschende der Universität Basel berichten von einer neuen Methode, bei der sich der Aggregatzustand weniger Atome oder Moleküle innerhalb eines Netzwerks gezielt steuern lässt. Sie basiert auf der spontanen Selbstorganisation von Molekülen zu ausgedehnten Netzwerken mit Poren von etwa einem Nanometer Grösse. Im Wissenschaftsmagazin «small» berichten die Physikerinnen und Physiker von den Untersuchungen, die für die Entwicklung neuer Speichermedien von besonderer Bedeutung sein können.

Weltweit laufen Bestrebungen, Datenspeicher immer weiter zu verkleinern, um so auf kleinstem Raum eine möglichst hohe Speicherkapazität zu erreichen. Bei fast allen Medien wird zur Speicherung ein Phasenübergang genutzt. So etwa wird für die Herstellung von CDs eine sehr dünne Metallschicht in Kunststoffen verwendet, die innerhalb von Mikrosekunden aufschmilzt, um dann wieder zu erstarren. Dies auf der Ebene von Atomen oder Molekülen zu ermöglichen, ist Gegenstand eines Forschungsprojekts unter Leitung der Universität Basel.

Phasenwechsel einzelner Atome zur Datenspeicherung

Ein Phasenwechsel auf Ebene einzelner Atome oder Moleküle kann prinzipiell zur Speicherung von Daten genutzt werden und in der Forschung gibt es derartige Speicher bereits. Sie sind allerdings aufwendig und teuer herzustellen. Die Gruppe um Professor Thomas Jung von der Universität Basel hat das Ziel, solch winzige Speichereinheiten aus wenigen Atomen durch Selbstorganisation herzustellen und damit den Herstellungsprozess enorm zu vereinfachen.

Die Gruppe hat dazu zunächst ein sogenanntes metallorganisches Netzwerk hergestellt, das wie ein Sieb mit präzise definierten Poren aussieht. Wenn die richtigen Verbindungen und Bedingungen gewählt werden, ordnen sich die Moleküle dabei selbstständig zu einer regelmässigen supramolekularen Struktur an.

Xenon-Atome: mal fest, mal flüssig

Die Physikerin Aisha Ahsan, Erstautorin der aktuellen Studie, hat nun einzelne Xenon-Gasatome in die etwas über einen Nanometer grossen Poren des Netzwerks eingebracht. Durch Temperaturveränderungen und durch lokal angelegte elektrische Pulse gelang es ihr, den Aggregatzustand der Xenon-Atome zwischen fest und flüssig gezielt hin und her zu schalten. Sie konnte diesen Phasenübergang durch Temperaturänderung in allen Poren gleichzeitig bewirken. Die Temperaturen für den Phasenübergang hängen von der Stabilität der Xenon-Cluster ab, die je nach Anzahl der Xenon-Atome unterschiedlich ist. Mit dem Mikroskopsensor lässt sich der Phasenübergang auch lokal in einer einzelnen Pore auslösen.

Da diese Experimente bei sehr tiefen Temperaturen von wenigen Kelvin durchgeführt werden müssen (unter -260° C), wird sich mit Xenon-Atomen selbst kein neuer Datenspeicher realisieren lassen. Die Versuche haben aber belegt, dass sich supramolekulare Netzwerke prinzipiell eignen, um winzige Strukturen herzustellen, in denen mit wenigen Atomen oder Molekülen gezielt Phasenübergänge induziert werden können.

«Wir werden nun grössere Moleküle wie kurze Alkohole testen, da diese Aggregatszustandsänderungen bei höheren Temperaturen durchlaufen und daher eine Anwendung gut denkbar ist», bemerkt Professor Thomas Jung, der die Arbeiten betreut hat.

Die Studie ist in Zusammenarbeit des Swiss Nanoscience Instituts (SNI), des Departements Physik der Universität Basel und des Paul Scherrer Instituts (PSI) mit den Universitäten Heidelberg und Linköping entstanden.

Originalbeitrag:
Aisha Ahsan, S. Fatemeh Mousavi, Thomas Nijs, Sylwia Nowakowska, Olha Popova, Aneliia Wäckerlin, Jonas Björk, Lutz H. Gade, Thomas A. Jung:
Phase transitions in confinements: Controlling solid to Fluid transitions of xenon atoms in an on-surface network
Small (2018), doi: 10.1002/smll.201803169

Externer Link: www.unibas.ch

Drehung auch bei Kälte

Presseinformation der LMU München vom 22.11.2018

LMU-Chemiker haben den ersten molekularen Motor entwickelt, der nur mit Licht als Antrieb auskommt und temperaturunabhängig betrieben werden kann.

Molekulare Motoren, die durch externe Energiezufuhr hin gezielte Drehbewegungen ausführen, sind eine wichtige Grundlage für zukünftige Anwendungen in der Nanotechnologie. Vielversprechende Kandidaten für solche Motoren sind Moleküle, die unter Lichteinfluss ihre Struktur ändern. Allerdings benötigen alle bisherigen lichtgetriebenen molekularen Motoren zusätzliche, durch Wärme angetriebene Reaktionen und sind deshalb von der Umgebungstemperatur abhängig. LMU-Chemiker Henry Dube ist nun ein entscheidender Durchbruch gelungen: Mit seinem Studenten Aaron Gerwien hat er den ersten molekularen Motor entwickelt, der vollständig lichtgetrieben und damit temperaturunabhängig ist – bei tiefen Temperaturen ist er sogar schneller. Diese einzigartige Eigenschaft könnte die Einsatzmöglichkeiten zukünftiger Nanomaschinen wesentlich erweitern. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Journal of the American Chemical Society.

Grundvoraussetzung für einen funktionierenden molekularen Rotationsmotor ist eine durch Energiezufuhr erzeugte gerichtete Drehbewegung. Dabei führen mehrere Drehschritte zu einer vollständigen 360 Grad Rotation eines bestimmten Molekülteils um einen anderen. Um zu verhindern, dass sich das Molekül wieder zurückdreht, benötigen alle bisher entwickelten molekularen Motoren sogenannte Ratschenschritte: Darunter versteht man Zwischenschritte, die das Molekül nach einem Drehschritt so verändern, dass die Rückreaktion blockiert wird. Diese Ratschenschritte werden normalerweise durch Wärme induziert. Deshalb laufen die Motoren umso langsamer, je tiefer die Umgebungstemperaturen sind und bleiben bei Kälte schließlich stehen.

Der neue Motor basiert wie frühere von Dube entwickelte Motorsysteme auf dem Molekül Hemithioindigo. Dieses Molekül besteht aus zwei unterschiedlichen Kohlenwasserstoff-Hälften, die über eine chemische Doppelbindung miteinander verbunden sind. „Wir haben es nun geschafft, das Molekül so zu modifizieren, dass drei Teilreaktionen ausreichen, um eine vollständige Rotation des einen Molekülteils um den anderen zu erzielen“, sagt Dube. Alle drei Teilschritte der Drehung werden durch sichtbares Licht angetrieben und kommen ohne thermische Ratschen-Zwischenschritte aus. Alle drei Teilreaktionen werden durch Kühlung sogar effizienter, deshalb kann der neue Motor bei tieferen Temperaturen schneller werden anstatt langsamer. „Die Teilschritte bestehen aus drei unterschiedlichen Photoreaktionen, von denen wir zwei erst dieses Jahr zum ersten Mal direkt experimentell bewiesen haben“, erklärt Dube. Das einzigartige Verhalten des Motors und sein neuartiger Mechanismus werden es nach Überzeugung der Wissenschaftler in Zukunft ermöglichen, molekulare Maschinen zu bauen, die wegen ihrer Temperaturunempfindlichkeit neue Einsatzmöglichkeiten eröffnen werden, die mit herkömmlichen molekularen Motoren unmöglich sind.

Publikation:
Journal of the American Chemical Society 2018

Externer Link: www.uni-muenchen.de