Die Schaffung atemberaubender, winziger Metallschneeflocken – jede nur so breit wie ein menschliches Haar dick ist – könnte den Weg zu neuen Sensoren, besseren industriellen Prozessen und sogar fortschrittlicheren und kleineren elektronischen Komponenten für die Computer der Zukunft ebnen. Zu diesem Ergebnis kommt eine neue Studie von Forschern aus Australien und Neuseeland, die die aufwändigen Metallkristalle Atom für Atom in einem flüssigen Gallium-Lösungsmittel gezüchtet haben. Gallium ist ein weiches, silbriges Metall, das üblicherweise zur Herstellung von Halbleitern verwendet wird und die ungewöhnliche Eigenschaft hat, bei 85,6 F zu schmelzen – knapp über Raumtemperatur.
In der neuen Studie arbeiteten die in Australien ansässigen Mitglieder des Teams mit verschiedenen Metallen – Aluminium, Wismut, Kupfer, Nickel, Zinn, Platin, Silber und Zink – und lösten sie bei hohen Temperaturen in flüssigem Gallium auf.
Beim Abkühlen der Lösungen fielen Metallkristalle aus, während das Gallium flüssig blieb. Da flüssiges Gallium eine hohe Oberflächenspannung hat, erwies sich die Extraktion der Kristalle ohne Beschädigung ihrer feinen mikroskopischen Merkmale als große Herausforderung.
Das Team war jedoch in der Lage, eine Methode zu entwickeln, um genau das zu erreichen, indem es zuerst ein elektrisches Feld verwendete, um die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls zu senken, und dann eine Vakuumfiltration, um die Metallkristalle vom Lösungsmittel zu isolieren.
Es wurde festgestellt, dass die Kristalle in verschiedenen Formen vorliegen – von Würfeln und Stäben bis hin zu sechseckigen Platten und, im Fall von Zink, Schneeflocken.
Auf der anderen Seite der Tasmanischen See führten die Materialwissenschaftlerin Professor Nicola Gaston von der University of Auckland und der Rest des neuseeländischen Teams Simulationen der Molekulardynamik durch, um zu erklären, warum sich aus verschiedenen Metallen unterschiedlich geformte Kristalle bildeten.
Prof. Gaston sagte: „Was wir lernen, ist, dass die Struktur des flüssigen Galliums sehr wichtig ist. Das ist neuartig, weil wir uns Flüssigkeiten normalerweise als strukturlos oder nur zufällig strukturiert vorstellen.“
Die Arbeit, erklärt der Wissenschaftler, baut auf einer früheren Studie auf, in der potenzielle Katalysatoren untersucht wurden, die herausfanden, dass teure Metalle wie Gold oder Platin, wenn sie in flüssigem Gallium gelöst und dann auskristallisiert werden, unterschiedliche Oberflächenmuster bilden. Die neue Studie zeigt, dass sich diese Muster auch unter der Oberfläche fortsetzten.
Aus ihren Simulationen stellten die Forscher fest, dass es die Ergebnisse von Wechselwirkungen zwischen den atomaren Strukturen des flüssigen Gallium-Lösungsmittels und den gelösten Metallen sind, die dazu führen, dass unterschiedlich geformte Kristalle entstehen.
Im Fall von Zink, erklärte das Team, ist es die sechsfache Symmetrie des Metalls – bei der jedes Atom von sechs Nachbarn in gleichen Abständen umgeben ist – die zum Schneeflockendesign führte.
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Prof. Gaston sagte gegenüber Express.co.uk, dass beispielsweise beim Zink „das flüssige Metall die hexagonale Ebene des Kristalls stabilisiert und die anderen Flächen destabilisiert – und wir bekommen diese Schneeflocken.“
Sie fuhr fort: „Was wirklich ziemlich cool ist, ist, dass wir in der Lage sein werden, Nanostrukturen nach diesem Prinzip zu entwerfen.“ Nanostrukturen können für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden – von der Katalyse industrieller Reaktionen bis hin zur Erkennung von Molekülen in der Luft.
Da Gallium bei etwa Raumtemperatur eine Flüssigkeit ist, erklärt sie außerdem, wird der Nanostruktur-Designprozess ziemlich energiearm sein – und keinen Abfall produzieren.
Prof. Gaston fügte hinzu: „Sie verwenden keine komplizierten Lösungsmittel oder Moleküle, die Sie am Ende nach der Herstellung der Nanokristalle wegwerfen müssen.
„Alles befindet sich in einer Umgebung mit ziemlich niedrigen Temperaturen, und das Gallium, das Sie zum Bilden der Strukturen verwenden, ist anschließend vollständig rückgewinnbar und wiederverwendbar.“
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Prof. Gaston fuhr fort: „Im Gegensatz zu Top-down-Ansätzen zur Bildung von Nanostrukturen – durch Wegschneiden von Material – beruht dieser Bottom-up-Ansatz auf der Selbstorganisation von Atomen.
„So stellt die Natur Nanopartikel her, und das sowohl weniger verschwenderisch als auch viel präziser als Top-down-Methoden.“
„Wenn wir das vor Ort tun können, können wir auch in Zukunft daran denken, elektronische Geräte für die Datenverarbeitung durch diese Art von Techniken zu entwickeln.“
Und sie witzelte: „Es ist auch etwas sehr Cooles, eine metallische Schneeflocke zu kreieren.“
Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht.