Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Universelle Regel für Wasserstoff entdeckt

06.06.2003


Visualisierung der Defektwellenfunktion eines Wasserstoffatoms, welches mit einem Halbleiter (CdTe) wechselwirkt. Wasserstoff (gelb) bindet mit einem Cd-Atom (grün) und bricht dadurch die Bindung zwischen einem Cd und einem Te-Atom (blau). Die transparenten Kugeln markieren die Positionen der Atome im idealen Gitter. Die rosafarbene Fläche zeigt die berechnete Wellenfunktion. Aufbauend auf solchen Rechnungen gelang es, eine universelle Regel für die Ausrichtung der elektronischen Niveaus des Wasserstoffs aufzustellen.

Foto: Fritz-Haber-Institut


Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts und des Palo Alto Research Center/USA finden allgemeines Gesetz, mit dem man vorhersagen kann, wie Wasserstoff die Eigenschaften von Materialien und Lösungen beeinflusst


Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Auf der Erde kennen wir es hauptsächlich als Komponente von Wasser (H2O). Doch auf Grund der geringen Größe seiner Atome wird Wasserstoff häufig auch innerhalb von Materialien eingebaut, wo er ganz wesentlich die Materialeigenschaften beeinflusst. Um neue Materialien entwickeln bzw. vorhandene verbessern zu können, wäre es daher wichtig, wenn man verstehen und sogar voraussagen könnte, wie Wasserstoff sich in unterschiedlichen Materialien oder Lösungen verhält. Jetzt haben Wissenschaftler am Fritz-Haber-Institut in Berlin und am Forschungszentrum in Palo Alto/USA (Palo Alto Research Center PARC) mit Hilfe von aufwändigen Computersimulationen überraschend eine universell gültige Regel entdeckt, nach der man künftig präzise vorhersagen kann, wie Wasserstoff die Eigenschaften von so unterschiedlichen Systemen wie Halbleitern, Isolatoren und Lösungsmitteln beeinflusst (Nature, 5. Juni 2003).

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Wasserstoff ist seine Fähigkeit, Elektronen aus einem Material aufnehmen bzw. an das Material abgeben zu können. Dank dieser Eigenschaft wirkt Wasserstoff in vielen Materialien wie ein Schwamm er saugt überschüssige Elektronen oder Löcher (fehlende Elektronen) einfach auf. Dieser Effekt wird in der Halbleiterindustrie extensiv genutzt. Beispielsweise bilden sich selbst unter Reinstraum-Bedingungen Defekte, also Unvollkommenheiten, im Material mit häufig fatalen Folgen für die Effizienz und Lebensdauer von Halbleiterbauelementen. Wasserstoff macht solche Defekte dank seines schwammartigen Charakters unschädlich.


Diese Eigenschaft von Wasserstoff wird jedoch nicht nur in der Halbleiterindustrie genutzt, sondern ist einer der fundamentalsten Prozesse in vielen chemischen und biologischen Reaktionen. Beispiele sind Speichersysteme für Wasserstoff, Brennstoffzellen, Katalysatoren, aber auch die Aktivität von Biomolekülen in Lösungen.

Eine Schlüsselgröße, um dieses Verhalten von Wasserstoff zu beschreiben, ist das so genannte Übergangsniveau (transition energy): Liegt dieses Energieniveau oberhalb des Elektronenreservoirs (chemischen Potentials) der Umgebung, gibt Wasserstoff Elektronen ab, ist es unterhalb, kann Wasserstoff Elektronen aufnehmen. Um dieses Niveau genau zu bestimmen, waren bisher aufwändige Experimente bzw. umfangreiche Rechnungen erforderlich. Eine einfache Regel, die schnelle und unkomplizierte Vorhersagen erlauben würde, gab es nicht.

Chris G. Van de Walle vom Palo Alto Research Center (PARC) im Silicon Valley (Kalifornien) und Jörg Neugebauer vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin haben jetzt modernste Hochleistungscomputer genutzt, um diesem Problem auf den Grund zu gehen. Ihre so genannten ab initio aus ersten Prinzipien Simulationen beruhen auf den grundlegenden physikalischen Gesetzen der Quantenmechanik und sind völlig frei von Anpassungsparametern. Ausgerüstet mit diesem äußerst leistungsfähigen theoretischen Werkzeug berechneten sie systematisch die Übergangsniveaus des Wasserstoffs für verschiedenste Materialklassen. Dabei entdeckten sie völlig überraschend, dass diese Niveaus einheitlich ausgerichtet sind sie liegen praktisch auf einer Linie. Diese Ausrichtung ist dabei nicht auf einzelne Materialklassen beschränkt, sondern völlig universell: Sie gilt für so verschiedene Systeme wie Halbleiter, Isolatoren oder sogar für Flüssigkeiten. Zu unserer großen Überraschung stellten wir fest, dass das Übergangsniveau nicht materialabhängig ist, auch wenn der Wasserstoff völlig unterschiedlich in verschiedene Materialien eingebaut wird. Unsere Regel verbindet damit bisher als getrennt betrachtete Gebiete, wie die Materialforschung und die Biochemie des Lebens, sagt Jörg Neugebauer, einer der beteiligten Forscher und Leiter einer Nachwuchsgruppe am Fritz-Haber-Institut.

Dank der Kenntnis dieser universellen Regel ist es in Zukunft viel leichter, dass Verhalten von Wasserstoff in neuartigen bzw. in neu zu entwickelnden Materialsystemen vorauszusagen. Konkrete Anwendungen ergeben sich beispielsweise bei der Entwicklung von ultravioletten Laserdioden, die für die nächste Generation von DVD-Spielern benötigt werden, für die drahtlose Kommunikation, für Wasserstoffspeicher und Brennstoffzellensysteme.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Jörg Neugebauer
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Berlin-Dahlem
Tel.: 030 8413 - 4826
Fax.: 030 8413 - 4701
E-Mail: neugebauer@fhi-berlin.mpg.de

Dr. Jörg Neugebauer | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.maxplanck.de/instituteProjekteEinrichtungen/institutsauswahl/fritz_haber_institut/index.html

Weitere Berichte zu: Elektron Fritz-Haber-Institut Wasserstoff

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht UVB-Strahlung beeinflusst Verhalten von Stichlingen
13.12.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Mikroorganismen auf zwei Kontinenten studieren
13.12.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Materialinnovationen 2018 – Werkstoff- und Materialforschungskonferenz des BMBF

13.12.2017 | Veranstaltungen

Innovativer Wasserbau im 21. Jahrhundert

13.12.2017 | Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rest-Spannung trotz Megabeben

13.12.2017 | Geowissenschaften

Computermodell weist den Weg zu effektiven Kombinationstherapien bei Darmkrebs

13.12.2017 | Medizin Gesundheit

Winzige Weltenbummler: In Arktis und Antarktis leben die gleichen Bakterien

13.12.2017 | Geowissenschaften