Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanomuster bringen Strom unter Kontrolle

08.02.2007
Natriumkobaltoxid als perfektes Material für Laptop-Batterien, als Kühlmittel oder Supraleiter

Regelmäßige Muster aus Natriumatomen mit Strukturen im Nanometerbereich machen Natriumkobaltoxid zu einem perfekten Material für Laptop-Batterien, effiziente Kühlmittel oder Supraleiter - das berichten Wissenschaftler des Berliner Hahn-Meitner-Instituts, des CEA-Forschungszentrums in Saclay bei Paris und der Universität Liverpool in der neuesten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature.

Dabei bestimmt die genaue Anordnung der Natriumatome die Eigenschaften des Materials. Gleichzeitig hängt das jeweilige Natriummuster sehr empfindlich von der Dichte an Natriumatomen ab, die man mit chemischen Methoden leicht verändern kann. So kann man aus einem anfangs metallischen Material einen Isolator und dann einen Supraleiter machen, indem man es in einer elektrochemischen Zelle unterbringt und die Spannung ändert.

Auf atomarem Niveau hat Natriumkobaltoxid (NaxCoO) eine Struktur, in der sich Schichten aus Kobaltoxid mit solchen aus Natriumatomen abwechseln. Die Natriumatome sind in regelmäßigen Mustern angeordnet und bestimmen dadurch die elektrischen Eigenschaften des Materials. Sind beispielsweise die Natriumatome weit voneinander entfernt, kann jedes Atom Elektronen einfangen und so den Stromfluss behindern - die Substanz wird zum Isolator. Sind die Atome dagegen in Reihen angeordnet, wirken sie wie Drähte, so dass der Strom entlang einer Richtung fließen kann. Professor Alan Tennant, vom Hahn-Meitner-Institut Berlin, von dem die Idee für die Arbeit stammt, erläutert: "Die Elektronen, die für den Stromfluss verantwortlich sind, verhalten sich wie Wellen. Sie wollen ihre Wellenlänge einer regelmäßigen äußeren Struktur anpassen. Weil die genaue Dichte der Natriumatome ihre geometrische Anordnung bestimmt, kann man die Elektronen mithilfe der chemischen Zusammensetzung beeinflussen. Wären die Natriumatome zufällig verteilt, würden kleine Änderungen der Zusammensetzung den Strom in der Substanz kaum verändern." Alan Tennant betont, dass die Ergebnisse technologisch sehr wertvoll sind, denn "unsere Fähigkeit, den Elektronenfluss immer genauer zu steuern, macht den rasanten Fortschritt der Informations- und Kommunikationstechnologien erst möglich."

Verbesserte Festkörperbatterien haben vor allem iPods, Mobiltelefone und andere tragbare elektronische Geräte revolutioniert. Laptopbatterien bestehen heutzutage aus Lithium-Kobalt-Oxid - einer Substanz, die dem Natrium-Kobalt-Oxid sehr ähnlich ist. Man lädt sie, indem man die Konzentration der Lithium-Atome ändert. "Wir wissen, dass auch die Lithium-Atome in regelmäßigen Mustern angeordnet sind. Sie dürften ein ähnlich aufregendes Verhalten zeigen wie die Natrium-Verbindungen", sagt Tennant.

Kühlende Muster

Natriumkobaltoxid könnte auch Grundlage effizienter thermoelektrischer Kühlsysteme sein, denn es erfüllt als eine von wenigen Substanzen die nötigen Bedingungen: sie leitet Wärme nur schlecht, ist aber ein guter elektrischer Leiter. Den Grund dafür kann man sich an der abgebildeten Struktur veranschaulichen: die rot markierten Natriumatome sind in "Käfigen" gefangen, die von den blau markierten Atomen gebildet werden. Sie können in diesen "Käfigen" hin und her schwingen und nehmen so einen großen Teil der Wärme auf, die sich durch die Substanz bewegt ohne gleichzeitig den elektrischen Strom in seinem Fluss zu stören. Neuartige thermoelektrische Materialien könnten Wege zu effizienteren Kühlverfahren eröffnen und somit helfen, Elektrizität aus geothermischer Energie oder dem heißen Wasser zu gewinnen, das in gewöhnlichen Kraftwerken entsteht.

Wie die Muster zustande kommen

Die Forscher haben für verschiedene Natriumkonzentrationen zahlreiche Natriummuster gefunden. Um zu verstehen, wie diese entstehen, kann man sich die Atome als Murmeln vorstellen. Die Sauerstoffatome sind in einem Bienenwabenmuster angeordnet, wobei die Natriumatome in den Vertiefungen liegen, die sich zwischen ihnen bilden. Weil die Natriumatome zu groß sind, können nicht zwei von ihnen in benachbarten Vertiefungen liegen, so dass bei maximaler Natriumkonzentration nur jede zweite Vertiefung besetzt ist. Dadurch entstehen zwei Arten von möglichen Natriumpositionen, die in der Abbildung den blauen bzw. roten Kugeln entsprechen. Außerdem stoßen die Natriumatome einander ab, so dass diese versuchen, möglichst weit voneinander entfernt zu sein. Die tatsächliche Struktur spiegelt die beste Anordnung bei bestimmter Konzentration wider, die diesen Forderungen genügt.

Die experimentellen Daten, die nötig waren, um die Natriumstrukturen aufzuklären, lieferten Versuche mit Neutronen und Synchrotronstrahlen am Hahn-Meitner-Institut Berlin und am Rutherford Appleton Laboratrory in Großbritannien. Mit Hilfe des Supercomputers MAP2, der an der Universität Liverpool üblicherweise für Rechnungen in der Elementarteilchenphysik genutzt wird, konnten die Wissenschaftler dann die Natriummuster entschlüsseln.

An dieser europäischen Kooperation waren darüber hinaus Forscher der Universitäten Oxford und Bristol, der Berliner Synchrotronstrahlungsquelle BESSY und der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF beteiligt.

Dr. Ina Helms | idw
Weitere Informationen:
http://www.hmi.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide
20.01.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Metamaterial: Kettenhemd inspiriert Physiker
19.01.2017 | 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: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise