Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue industrierelevante Erkenntnisse der Bor-Forschung

28.09.2011
Einem Forschungsteam an der Universität Bayreuth ist es gelungen, Alpha-Bor eindeutig als thermodynamisch stabile Phase von Bor zu identifizieren.

Die jetzt in "Scientific Reports" veröffentlichten Forschungsergebnisse bilden zudem eine Grundlage, um Alpha-Bor-Einkristalle im Industriemaßstab mit Hochdrucktechnologien herzustellen. Damit eröffnen sich neue Perspektiven für industrielle Anwendungen, insbesondere für die Halbleiter-Industrie und die Gewinnung von Solarstrom.


Alpha-Borkristalle mit einer Länge von ca. 2 mm unter dem optischen Mikroskop. Zahlreiche physikalische Eigenschaften von Alpha-Bor sind für technische Anwendungen von besonderem Interesse. Alpha-Bor ist ein Halbleiter mit breiter direkter Bandlücke, der sich durch einen hohen Härtegrad, Hitzebeständigkeit und eine vergleichsweise geringe Dichte auszeichnet.
Abb.: Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia

Das 1808 entdeckte Bor ist eines der rätselhaftesten chemischen Elemente. Wegen seiner äußerst hohen Reaktivität kommt es in der Natur nicht in Reinform vor. Unter hohen Drücken und Temperaturen lassen sich reine Borkristalle künstlich herstellen. Dabei entstehen, abhängig von der Höhe der Drücke und Temperaturen, drei verschiedene Arten von Borkristallen, die in der Forschung als "Phasen" bezeichnet werden. Diese unterscheiden sich durch ihre unterschiedlich komplexen Strukturen und werden Alpha-, Beta- oder Gamma-Bor genannt.

Lange Zeit war die Wissenschaft uneins über eine für die Grundlagenforschung und ebenso für technologische Anwendungen hochrelevante Frage: Welches ist die stabilste Bor-Phase? Ein Team um Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia, Heisenberg-Professorin für Materialphysik und Technologie an der Universität Bayreuth, und Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky am Bayerischen Geoinstitut (BGI) hat diesen Streit jetzt eindeutig zugunsten von Alpha-Bor entscheiden können. Während gemeinsamer Forschungsarbeiten in Bayreuth, in die auch das GeoForschungsZentrum Potsdam einbezogen war, stellte sich überdies heraus: Moderne Hochdruck-Technologien können voraussichtlich so angepasst werden, dass es möglich ist, Alpha-Bor im Industriemaßstab zu produzieren. Über diese Erkenntnisse berichten die Wissenschaftler aus Bayreuth und Potsdam in der neuesten Ausgabe von "Scientific Reports".

In den Hochdrucklaboratorien des BGI – einem Forschungszentrum der Universität Bayreuth – wurde eine Serie unterschiedlicher Borkristalle synthetisiert, bei Temperaturen bis zu 2300 Kelvin (ca. 2030 Grad Celsius) und Drücken bis zu 15 Gigapascal. Ein Vergleich zeigt die Außergewöhnlichkeit dieser künstlich erzeugten Bedingungen: Würde man den Pariser Eiffelturm auf einer Fingerspitze balancieren, entspräche das einem Druck von 10 Gigapascal. Borkristalle der Alpha-Phase entstanden im BGI bei Drücken zwischen 4 und 11 Gigapascal, die mit Temperaturen zwischen 1400 und 1900 Kelvin einhergingen. Die experimentell gewonnenen Daten führten zu dem Ergebnis, dass diese Alpha-Borkristalle – und nicht, wie vielfach vermutet, Beta-Borkristalle – die stabilste Bor-Phase darstellen.

Zugleich gelang es den Forschern, die im Labor synthetisierten Alpha-Borkristalle genauer zu charakterisieren. Eine Reihe von Eigenschaften, die für technologische Anwendungen besonders relevant sind, wurden durch hochpräzise Messungen entweder bestätigt oder erstmals zuverlässig nachgewiesen: Alpha-Bor ist ein Halbleiter mit breiter direkter Bandlücke, zeichnet sich durch einen außerordentlichen Härtegrad aus, ist hitzebeständig und vergleichsweise leicht.

Von besonderem Interesse für die Forschung und für industrielle Anwendungen sind Bor-Einkristalle. Einkristalle sind Festkörper mit einer durchgängigen Kristallstruktur, die von inneren Bruchstellen frei ist und daher keine sogenannten Korngrenzen aufweist. Eine derartige fehlerfreie Struktur kann einem Einkristall einzigartige mechanische, optische und elektrische Eigenschaften verleihen. Diese Eigenschaften machen Einkristalle zu wertvollen Bestandteilen von Juwelen. Vor allem aber können sie für technologische Anwendungen, insbesondere auf den Gebieten der Optik und der Elektronik, industriell genutzt werden. Vertiefte Forschungsarbeiten zu den Anwendungspotenzialen von Alpha-Bor wurden bislang dadurch erschwert, dass es kein zuverlässiges Verfahren gab, um Alpha-Bor-Einkristalle zu synthetisieren. Dieses Hindernis ist jetzt ausgeräumt. Der in "Scientific Reports" veröffentlichte Beitrag enthält ein Phasendiagramm, das Stabilitätsfelder der Borphasen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Strukturen abbildet. Damit liegt jetzt eine Anleitung für die gezielte Herstellung von Borkristallen vor, einschließlich von Alpha-Bor-Einkristallen.

Die an der Universität Bayreuth erzielten Forschungsergebnisse erschließen so die Möglichkeit, Borkristalle für innovative Anwendungen in verschiedenen Technologiezweigen nutzen zu können. Insbesondere für die Halbleiter-Industrie ist das voraussichtlich im Industriemaßstab produzierbare Alpha-Bor ein hochattraktiver Werkstoff. Zudem eignet es sich möglicherweise für den Bau von Solarzellen, die mit hoher Effizienz das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln.

Veröffentlichung:

Gleb Parakhonskiy, Natalia Dubrovinskaia, Elena Bykova,
Richard Wirth, Leonid Dubrovinsky,
Experimental pressure-temperature phase diagram of boron:
resolving the long-standing enigma,
in: Scientific Reports (2011), 1 : 96,
DOI-Bookmark: 10.1038/srep00096
Veröffentlicht am 19. September 2011, siehe:
http://www.nature.com/srep/2011/110919/srep00096/full/srep00096.html
Ansprechpartner für weitere Informationen:
Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55-3880
E-Mail: natalia.dubrovinskaia@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Europäisches Exzellenzzentrum für Glasforschung
17.03.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Vollautomatisierte Herstellung von CAD/CAM-Blöcken für kostengünstigen, hochwertigen Zahnersatz
16.03.2017 | Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise