Kristalle sind die Zukunft für Nanomaterialien
Ein Team an der Cambridge University im Vereinigten Königreich zeigte mit neuesten Verfahren der In-situ-Metrologie, wie Kristalle auf Nanoebene wachsen. Die Forscher liefern neue Einblicke in Nanomaterialien, die so winzig sind, dass sie ihr Verhalten ändern. INSITUNANO soll damit einen der wichtigsten Engpässe für die großindustrielle Produktion ausräumen. "Obwohl uns eine ganze Reihe zukunftsfähiger Materialien zur Verfügung stehen, muss für neue Produkte noch viel Grundlagenforschung betrieben werden", sagt Stephan Hofmann, Projektkoordinator und Professor für Nanotechnologie an der Universität Cambridge. "Wenn wir mit den neuen Materialien arbeiten und zuverlässige Methoden der Herstellung entwickeln wollen, muss genau geklärt werden, wie Nanokristalle wachsen." Das Team macht sich neue elektronenmikroskopische Verfahren in der Metrologie wie ETEM (Environmental Transmission Electron Microscopy), Rasterelektronenmikroskopie und Hochdruck-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie in vollem Umfang zunutze, um Atom für Atom das Wachstum von Materialien wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen, halbleitenden Nanodrähten und 2D-Materialien (etwa Graphen) zu demonstrieren. Die entstandenen Filme - für Professor Hofmann ein so genannter "Eureka-Moment" – stießen nicht nur bei Konferenzteilnehmern auf enormes Interesse, sondern enthüllten auch völlig neue Formen von Wachstum. "ETEM bei Nanodrähten funktionierte sehr gut - wir gewannen entscheidende neue Einblicke zu ihrem Wachstum und Möglichkeiten der kontrollierten Keimbildung", sagt Professor Hofmann. Wie Artikel(öffnet in neuem Fenster), ein im März 2016 in Nature veröffentlichter Artikel beschreibt, ebnet dies neue Wege der Kristallphasentechnik oder Konstruktion von Nanodrähten nach genauen Vorgaben, was die Materialwissenschaften enorm voranbringen wird. Auch für die Industrie eine Priorität Die neuen Erkenntnisse sind nicht nur für Wissenschaftler interessant. Bessere Möglichkeiten der Charakterisierung und Kontrolle haben auch für Hersteller Priorität, die neue Nanomaterialien in ihre Geräte integrieren wollen. "Bei Nanomaterialien stehen Struktur und Eigenschaften in engstem Zusammenhang, so dass die Kontrolle sehr präzise sein muss", sagt Professor Hofmann, "für die großindustrielle Fertigung ist das aber bislang Zukunftsmusik." INSITUNANO sollte vor allem die Kluft zwischen Grundlagenforschung und Anforderungen an die Massenproduktion schließen. Bei Graphen, einem Nanomaterial mit riesigem industriellen Potenzial, kontrollierte das Team mit modernsten Röntgentechniken nicht nur das Wachstum, sondern untersuchte auch die Bildung von Schnittstellen. "Dabei geht es um Wachstum auf speziellen Oberflächen oder Veränderungen beim Kontakt mit Umgebungsluft", sagt Professor Hofmann. "Hersteller müssen die Stabilität eines Materials in spezifischen Umgebungen bestimmen können. Muss unter Hochvakuum gearbeitet werden oder reichen normale atmosphärische Bedingungen aus?" Hafteigenschaften von Geckofüßen Das Team setzte die Erkenntnisse direkt in die Entwicklung spezifischer Geräte um und untersuchte etwa Leistungskurven nanostrukturierter Anoden in Lithium-Ionen-Batterien. Sie entwickelten neue Trockenkleber, für die dichte "Wälder" aus Kohlenstoffnanoröhrchen erzeugt wurden, einem Prinzip, das an die Haftung von Geckofüßen angelehnt ist. Diese Tiere können bekanntlich kopfüber an Zimmerdecken entlanglaufen. Die Forscher untersuchten auch, wie Kristalle in neue Gerätearchitekturen integriert werden können - als Bausteine für den nächsten Schritt. "Das Spannende ist hier die ständig wachsende Palette an neuen Gerätematerialien", sagt Professor Hofmann. "Wir müssen lernen, sie zu entwickeln und mit vorhandenen Materialien zu kombinieren. Der In-situ-Ansatz ist ein wichtiger Ausblick für die Zukunft. "
