Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Kristall schluckt Hyperschall

09.11.2006
Mainzer Max-Planck-Forscher stellen erstmals Kristalle her, die mit Schallwellen und Licht gleichzeitig wechselwirken können

Eine Glasplatte, Silikonöl und Polystyrolkügelchen - aus diesen einfachen Komponenten haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz einen Kolloidkristall hergestellt, der Hyperschallwellen blockiert.


Auf dieser elektronenmikroskopischen Aufnahme der Kolloidkristalloberfläche erkennt man die gleichmäßig nebeneinander angeordneten Polystyrolkugeln, deren Durchmesser 256 Nanometer beträgt. Bild: Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Die Struktur des Materials ist so fein, dass es nicht nur mit hochfrequenten Schallwellen sondern auch mit Lichtwellen wechselwirkt. Den Forschern gelang es außerdem erstmals, mittels einer speziellen hochauflösenden Spektroskopiemethode Lage und Breite des Frequenzintervalls, das der Kristall schluckt, sehr genau zu vermessen. Materialien dieser Art könnte man verwenden, um Schallschilder, akustische Superlinsen oder Wärmebarrieren zu konstruieren (Nature Materials, online: 3. September 2006).

Ein Fenster, das das Rauschen der Autobahn konsequent aussperrt aber Vogelgezwitscher rein lässt - phononische Kristalle könnten das möglich machen. Solche Kristalle blockieren Schallwellen mit bestimmten Frequenzen, andere Frequenzen durchdringen das Material mühelos. Der Frequenzbereich, der den Kristall nicht passieren kann, heißt Bandlücke.

Bisher existierten lediglich phononische Kristalle mit Bandlücken für hörbaren Schall (20Hz bis 20 kHz) oder Ultraschall (20 kHz bis 100 MHz). Nun stellten Mainzer Forscher erstmals einen Kristall her, der Hyperschallwellen reflektiert, also Frequenzen im Gigahertzbereich. Da er aus unzähligen nanometergroßen Teilchen besteht, sogenannten Kolloiden, bezeichnet man ihn als Kolloidkristall. Damit erzielten die Wissenschaftler einen wichtigen Fortschritt bei der Erforschung von Bandlücken. "Viele der Effekt in solchen Materialien sind noch unerforscht", sagt Dr. Ulrich Jonas, der Projektleiter, "wir dringen hier in physikalisches Neuland vor."

Denn die kurzen Hyperschallwellen haben interessante Eigenschaften, die sie deutlich von ihren langen Verwandten unterscheiden. Anders als Schall- und Ultraschallwellen, die immer aus einer externen Quelle stammen, gehen Hyperschallwellen unter anderem aus der Wärmebewegung der Atome in dem Kristall selber hervor. Selbst Isoliermaterialien übertragen Wärme über akustische Wellen im Gigahertzbereich. Lässt sich die Bewegung dieser Wellen beeinflussen, wirkt sich das direkt auf die Wärmeleitfähigkeit aus. Diesen Effekt könnten hocheffektive Wärmebarrieren ausnutzen.

Außerdem verfügen Kristalle, die im Gigahertzbereich absorbieren, über Bandlücken für Licht und Schall. Man kann also gleichzeitig steuern, wie sich akustische und optische Wellen im Material fortsetzen und miteinander wechselwirken. Diese einzigartige Eigenschaft erlaubt es möglicher Weise, optische Modulatoren oder, etwas weiter in die Zukunft gedacht, akustische Laser zu entwickeln.

In phononischen Kristallen wechseln sich gleichmäßig Abschnitte mit hoher Elastizität und niedriger Elastizität ab. Der Schall ist so mal schneller und mal langsamer - stop and go für die Schallwellen. Das Material blockt Schallwellen ab, deren Wellenlänge etwa so lang ist, wie die Bereiche verschiedener Elastizität im Kristall voneinander entfernt sind. Für Bandlücken im Hyperschallbereich mit sehr kurzen Wellenlängen müssen Wissenschaftler deshalb ein periodisches Muster im Nanometermaßstab erzeugen, während für hörbaren Schall zentimetergroße und für Ultraschall millimeter- bis einige zehn mikrometergroße Strukturen reichen.

Im phononischen Kristall der Mainzer Forscher bilden nanometergroße Polystyrolkugeln (aus Polystyrol besteht auch Styropor) und Silikonöl die beiden Phasen mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten. Die winzigen Kugeln ordnen sich von selber regelmäßig auf einer Glasplatte an, während die Forscher sie aus einer wässrigen Suspension der Polystyrolkugeln ziehen. Anschließend trocknen die Wissenschaftler die Probe und benetzen sie mit Silikonöl. Indem sie die Kugelgröße oder die Benetzungsflüssigkeit verändern, können sie die Lage und Breite der Bandlücke gezielt einstellen.

Um die Bandlücke zu vermessen, verwendeten die Wissenschaftler erstmals ein relativ neu entwickeltes Verfahren: die hochauflösende Brillouin-Spektroskopie, die auf der Streuung von Licht beruht. Mit dieser Technik konnten sie in außergewöhnlich hoher Auflösung messen, welche Schallwellen sich im nanostrukturierten Kristall ausbreiten können und welche nicht. Die hohe Messgenauigkeit schafft auch die Voraussetzung, um akustische Superlinsen für die hochauflösende Ultraschall-Bildgebung herzustellen.

Die Forscher haben also ein neuartiges Material mit einer Bandlücke im Hyperschall entwickelt und diese Bandlücke dazu noch mit bislang ungekannter Präzision vermessen. "Wir versuchen nun auch das Kugelmaterial zu variieren und mehrere Bandlücken herzustellen" gibt Dr. Jonas einen Ausblick, "damit wollen wir das Material an denkbare technische Anwendungen anpassen."

Originalveröffentlichung:

W. Cheng, J. Wang, U. Jonas, G. Fytas, N. Stefanou,
Observation and Tuning of Hypersonic Bandgaps in Colloidal Crystals
Nature Materials, online: 3. September 2006
E. L. Thomas, T. Gorishnyy, Maldovan, M.
Colloidal Crystals go Hypersonic
Nature Materials, Oktober 2006

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum
07.12.2016 | Technische Universität Graz

nachricht Bioabbaubare Polymer-Beschichtung für Implantate
06.12.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Universum enthält weniger Materie als gedacht

07.12.2016 | Physik Astronomie

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016 | Physik Astronomie

Bakterien aus dem Blut «ziehen»

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie