Leobner Forscher konkretisierten Wachstumsprozess von Superkristallen

Leoben/Graz/Wien (APA) - Die Montanuniversität Leoben hat in der jüngsten Ausgabe von „Advanced Materials“ Forschungen rund um die Struktur von sogenannten Superkristallen, die aus einzelnen kolloidalen Nanoteilchen zusammengesetzt sind, veröffentlicht. Echzeitbeobachtung und Computersimulationen beantworteten dabei grundlegende Fragen zur Prozesskinetik. Das Journal wählte die Arbeit zudem als „Inside Front Cover“.

Wissenschafter können Atome zu Nanokristallen anordnen, aber auch mehrere Nanokristalle in einer bestimmten Anordnung kombinieren. Wie „normale“ Atome in einem „normalen“ Kristall sitzen diese Nanoteilchen dann in einer festen Struktur neben- und übereinander und formen einen sogenannten Superkristall, beschrieben die Montanisten am Dienstag in einer Aussendung den Ausgangspunkt. Forscher können gleich auf mehreren Ebenen die Eigenschaften des Materials beeinflussen: Sie wählen die Atomsorte, anschließend fügen sie sie zur gewünschten Nanokristallstruktur zusammen, und schließlich ordnen sie auch die entstandenen Nanokristalle in einer bestimmten Struktur an.

Die publizierte Arbeit befasst sich mit der Thematik der Selbstorganisation, also mit dem Prozess, in dem einzelne, in einer Lösung fein verteilte Nanoteilchen zu einer geordneten Struktur zusammenwachsen. Mithilfe von Röntgenbeugung (SAXS) konnten die Forscher in Echtzeit beim Wachstum sowie dem Selbstorganisationsprozess zusehen und grundlegende Fragen zu der Prozesskinetik beantworten. Bestätigt wurden die Ergebnisse durch theoretische Computer-Simulationen, die darüber hinaus eine neuartige Beziehung zwischen der Orientierung der nicht sphärischen Nanokristalle und der Superkristall-Struktur herstellen.

Die neuen Forschungsergebnisse erleichtern nun die Anwendung von kolloidalen Nanokristallen (anorganische Partikel mit einigen Hundert Atomen, Anm.) als sogenannte künstliche Atome, um synthetische Festkörper und Werkstoffe herzustellen. Sie sollen geplante und völlig neuartige Materialeigenschaften aufweisen. „So lassen sich mit richtig angeordneten optisch-aktiven Nanokristallen Laser, Lichtdetektoren oder flexible LEDs realisieren. Aus magnetischen Nanoteilchen aufgebaute Superkristalle könnten als zukünftige Datenspeicher mit extrem hoher Speicherdichte dienen, oder metallische Superkristalle als Speicher für Lithium-Ionen die Kapazität von LithiumIonen-Akkus verbessern“, erklärte der Leiter des Forschungsteams, Rainer Lechner, vom Institut für Physik der Montanuniversität.

Die laut Universität einzigartige Kombination von Experiment und Simulation, der Zugang zu einer europäischen Großforschungsanlage sowie die Zusammenarbeit zwischen drei österreichischen Universitäten - Montanuniversität Leoben, Technische Universität Graz sowie Universität Wien - und internationalen Forschungspartnern hätten diese wissenschaftlichen Ergebnisse ermöglicht. „Experimente dieser Art sind nur an einer Großforschungsanlage wie der Synchrotronstrahlungsquelle ELETTRA in Triest möglich“, sagte Lechner. Die Messungen wurden an der Austro-SAXS-beamline der TU Graz durchgeführt, die sich unter der Leitung von Heinz Amenitsch vom Institut für Anorganische Chemie befindet. Die einzelnen Nanokristalle mit einer Größe um die 20 Milliardstel Meter wurden von Kollegen der ETH Zürich und der FAU Erlangen-Nürnberg chemisch synthetisiert und für dieses Forschungsprojekt zur Verfügung gestellt.

Der Erstautor des experimentellen Teiles dieser Arbeit, Max Burian, hat bereits während seiner Masterarbeit in Leoben am Institut für Physik begonnen, Methoden zu entwickeln, um aus den Streudaten auch die genaue Form der Nanokristalle zu bekommen. „Die geometrische Form der einzelnen Nanokristallen beeinflusst maßgeblich die spätere Kristallstruktur der mikrometergroßen Superkristalle“, erläuterte Burian, der auch während seiner Doktorarbeit an der Austro-SAXS-beamline an diesem Thema weiter forschte.

Parallel dazu hat die Erstautorin des theoretischen Teiles dieser Arbeit, Carina Karner, während ihres Doktorats am Institut für Computational Physics der Universität Wien ein Simulationspaket geschrieben, welches die Selbstorganisation genau solcher nicht-sphärischer Nanoteilchen modellieren kann. Mithilfe dieses Simulationspakets konnten Karner und Christoph Dellago, dem Leiter des Instituts für Computational Physics, das Kristallwachstum im Computer realitätsnah simulieren und darüber hinaus Erkenntnisse gewinnen, die aus dem Experiment nicht erkennbar waren: „Wir haben eine neue Orientierungsphase entdeckt, in der die Nanokristalle sechs verschiedene globale Orientierungen aufweisen, während sie ihre Position am Gitter beibehalten“, schilderte Karner.