27-06-2003

Designermaterial aus Nanopartikeln

Einen ungewöhnlichen Kristall aus magnetischen und aus halbleitenden Nanopartikeln haben Forscher am IBM-Forschungszentrum in Yorktown Heights wachsen lassen. Mit der dabei benutzten Methode könnte man Metamaterialien mit neuartigen Eigenschaften herstellen.

Nanokristalle, Quantenpunkte und winzige Metallcluster sind einige der Bausteine, aus denen Physiker und Materialwissenschaftler die Werkstoffe der Zukunft zusammenbauen wollen. Viel verspricht man sich von Kristallen, in denen verschiedene solcher Bausteine regelmäßig angeordnet sind. Die physikalischen Eigenschaften dieser Metamaterialen könnte man nach Maß schneidern, da man die Eigenschaften der einzelnen Bausteine sehr gut unter Kontrolle hat.

Bisher hatte man aber nur bescheidenen Erfolg beim Zusammenbau solcher Kristalle aus unterschiedlichen Nanopartikeln. Die erhaltenen Gebilde waren entweder völlig amorph oder ihnen fehlte die Ordnung über große Bereiche, die einen Kristall auszeichnet. Doch jetzt haben Forscher von IBM, der Columbia University und der University of New Orleans einen Weg gefunden, unterschiedliche Teilchen zu Kristallen zusammenwachsen zu lassen, die in allen drei Raumrichtungen perfekt geordnet sind.

Als Bausteine wählten Christopher B. Murray und seine Kollegen magnetische Eisenoxidkristalle und halbleitende Quantenpunkte aus Bleiselenid. Während man Eisenoxidkristalle zur magnetischen Datenspeicherung nutzt, wird Bleiselenid u. a. in Infrarotdetektoren eingesetzt. Aus der Verbindung dieser beiden sehr unterschiedlichen Komponenten könnte sich ein Material mit einer ungewöhnlichen Kombination von magnetischen, optischen und elektrischen Eigenschaften ergeben.

Doch zunächst mussten die Bausteine mit größtmöglicher Präzision hergestellt werden. Franz Redl, ein Postdoktorand an der Columbia Universität, synthetisierte die Eisenoxidpartikel, die eine einheitliche Größe von 11 Nanometern hatten. Die Bleiselenidpartikel steuerte Kyung Sang Cho von der University of New Orleans bei. Diese Teilchen waren 6 Nanometer groß. Die Partikelgrößen waren so aufeinander abgestimmt, dass sich aus den beiden Komponenten Kristallgitter der Form AB13 und AB2 aufbauen ließen, wobei A für die Eisenoxidpartikel steht.

Aus den Eisenoxid- und Bleiselenidpartikeln stellte Franz Redl dann die Kristalle her, indem er bekannte Methoden der Kolloidchemie benutze. Genauer gesagt wuchsen die Kristalle von selbst, nachdem er die beiden Komponenten in ein organisches Lösungsmittel gegeben hatte und dieses langsam verdampfen ließ. Die Partikel hatten sich von selbst in der gewünschten Weise angeordnet.

Untersuchungen der Kristallstruktur mit dem Transmissionselektronenmikroskop zeigten, dass außer den beiden genannten Kristallgittertypen noch ein dritter Typ auftrat: AB5. Durch Feineinstellung der Partikelgrößen, Wahl des geeigneten Lösungsmittels und Optimierung der Synthese ließen sich Kristalle herstellen, die über mehrere Mikrometer perfekt geordnet waren.

Mit ihrer spektakulären Arbeit sind die Forscher der Synthese von nanostrukturierten Metamaterialien ein großes Stück näher gekommen. "Uns erregt besonders, dass man mit diesem modularen Aufbauverfahren nahezu alle Materialien zusammenfügen kann", erklärte Murray in einer Pressemitteilung. Man darf gespannt sein, was dabei so alles herauskommt.

Rainer Scharf

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