Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ionen beim Wellenreiten

16.06.2015

Die Leistungsfähigkeit von für die Industrie wichtigen ionenleitenden Keramikmembranen hängt stark davon ab, wie diese verspannt und gewellt sind. Dies zeigten ETH-Materialwissenschaftler auf. Die Forschenden können nun erstmals deren Wellenmuster und damit deren physikalische Eigenschaften gezielt verändern, was neue technische Anwendungen solcher Membranen ermöglicht.

«Ionen sind die neuen Elektronen, die Ionik die Elektronik der Zukunft», sagt Jennifer Rupp, Professorin für Elektrochemische Materialien an der ETH Zürich und bringt damit ihr Forschungsgebiet auf den Punkt. Rupp stellt mit ihrer Gruppe Keramikmaterialien her, welche geladene Atome (Ionen) wie zum Beispiel Sauerstoff- oder Lithium-Ionen sehr schnell leiten können.


Die ETH-Wissenschaftler konstruierten freistehende Keramikmembranen für sogenannte Mikro-Energiewandler. Die Art und Weise, wie die Membranen gewellt sind, beeinflusst ihre Eigenschaften. (Illustration: Shi Y et al. Nature Materials 2015)

Bereits heute werden die elektrochemischen Eigenschaften dieser Materialien genutzt, etwa in Lambdasonden von Autokatalysatoren oder in Festoxidbrennstoffzellen. Und die ETH-Professorin ist davon überzeugt, dass die industrielle Bedeutung dieser Materialien stark zunehmen wird – etwa für Gassensoren, für neue Klassen von Datenspeichern und Computer-Schaltkreisen oder zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und umgekehrt.

Eine der derzeit wichtigsten Forschungsfragen in ihrem Gebiet sei, wie man diese in der Regel als dünne Membran vorliegenden Materialien optimieren könne, damit sich in ihnen die Ionen schneller bewegten, so Rupp. In einer soeben im Fachmagazin «Nature Materials» veröffentlichten Studie haben mehrere Doktoranden aus ihrer Gruppe aufgezeigt, dass der Ionentransport sehr stark von der Art und Weise abhängt, wie diese Membranen verspannt sind. Auch ist es ihnen gelungen, die Verspannung der Membranen gezielt zu steuern, was für die Entwicklung künftiger technischer Anwendugen bedeutend ist.

Freistehende Membran

Für ihre Studie arbeiteten die Wissenschaftler mit einer sehr dünnen Keramik-Schicht, konkret mit Gadolinium-dotiertem Ceroxid. «Das ist einer der in der Industrie am häufigsten verwendeten Ionenleiter», erklärt ETH-Doktorand Sebastian Schweiger.

In bisherigen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet ist das Material meist als dünner Film auf einem Silizium-Trägermaterial untersucht worden. Yanuo Shi, ein weiterer Doktorand in Rupps Gruppe und Erstautor der nun veröffentlichten Arbeit, erstellte aus dem Material jedoch eine freistehende Membran, indem er das Trägermaterial unter der dünnen Keramikschicht wegätzte.

Diese blieb danach nicht etwa flach, sondern wellte sich, weil sich die inneren Spannungen in der Schicht beim Wegätzen veränderten. Auf kleinen Stücken solcher Membranen befestige Shi Mikroelektroden und stellte so winzige Bauelemente her, mit welchen man aus Wasserstoff oder organischen Verbindungen sowie Sauerstoff aus der Luft Strom erzeugen kann.

Elektroden beeinflussen Wellenmuster

Dabei konnten die Forschenden zeigen, dass die Anordnung der Elektroden das Wellenmuster der Keramikmembran sowie die Materialstruktur auf Ebene der Atome beeinflusst. Dies wiederum beeinflusst sehr stark die Leitfähigkeit der Membran für Sauerstoff-Ionen. Es gelang den Wissenschaftlern, diesen Effekt im Detail zu beschreiben. «Damit ist es uns nun erstmals möglich, Wellenmuster und Ionenleitfähigkeit solcher Membranen gezielt zu steuern», so Alexander Bork, ein weiterer an der Arbeit beteiligter Doktorand.

In den vergangenen Jahrzehnten haben Wissenschaftler vor allem versucht, die Leitfähigkeit solcher Ionenleiter zu verändern, indem sie das Material bewusst mit bestimmten Fremdatomen «verunreinigten» – fachsprachlich: dotierten. Die ETH-Forschenden zeigten nun, dass sich die Leitfähigkeit über die Steuerung des Wellenmusters und der Verspannung sehr viel stärker beeinflussen lässt als über die Dotierung.

«Schon in früheren Experimenten ist es Wissenschaftlern aufgefallen, dass die Stromerzeugung in Festoxidbrennstoffzellen je nach Aufbau solcher Zellen sehr stark variiert. Wir haben nun im Experiment mit der Verspannung des Ionenleiters eine mögliche Erklärung für dieses Verhalten gefunden», sagt Rupp. Es sei nun möglich, ionenleitende Membranen gezielt zu optimieren. Dies fördere die Entwicklung künftiger Gassensoren, ionenbasierten Datenspeichern sowie sogenannter Mikro-Energiewandlern wie beispielsweise Brennstoffzellen – und womöglich einer ganzen Reihe noch unbekannter Anwendungen in der zukunftsträchtigen Ionik.

Literaturhinweis

Shi Y, Bork AH, Schweiger S and Rupp JLM: The effect of mechanical twisting on oxygen ionic transport in solid-state energy conversion membranes. Nature Materials, 15. Juni 2015, doi: 10.1038/nmat4278 [http://dx.doi.org/10.1038/nmat4278]

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2015/06/ionen-beim...

Fabio Bergamin | ETH Zürich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie