Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quadratische Eiskristalle aus der Nanowelt: Überraschungsfund im „Graphen-Sandwich"

27.03.2015

Forscher der Universitäten Ulm, Manchester und der University of Science and Technology of China haben erstmals mittels hochaufgelöster Elektronenmikroskopie quadratische Nano-Eiskristalle zwischen zwei Graphenschichten nachgewiesen. Eigentlich kommen solche Kristalle in sechseckiger Form vor -- zum Beispiel in Schneeflocken. Dieser Zufallsfund, der unter anderem für die Materialwissenschaft und Nanotechnologie wichtig ist, zeigt wieder einmal, dass in der "Nanowelt" ganz eigene Gesetze gelten. Die Ergebnisse der Wissenschaftler sind in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Fest, flüssig und gasförmig. Die Aggregatzustände des Wassers lernt jedes Kind in der Schule kennen. Und auch in der Wissenschaft zählt Wasser sicherlich zu den am besten untersuchten Substanzen. Trotzdem konnten Forscher von den Universitäten Ulm, Manchester und der University of Science and Technology of China dem Element ein Geheimnis abringen:


80keV aberrationskorrigierte Hochauflösungsabbildung von quadratischem Eis eingeschlossen zwischen zwei Graphen-Monolagen

Foto: Uni Ulm

Zwischen zwei Graphenschichten wiesen sie bei Raumtemperatur quadratische Nano-Eiskristalle nach, deren Anordnung überrascht. So wurde wieder einmal deutlich, dass die „Nanowelt“ ihre eigenen Gesetze hat. Diese kürzlich in der hochrenommierten Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichten Ergebnisse sind nicht nur für die Materialwissenschaft und Nanotechnologie bedeutend.

Zunächst wussten die Ulmer Wissenschaftler die unbekannte Struktur, die sie durch das Transmissionselektronenmikroskop sahen, nicht richtig einzuordnen. „Erst eine Diskussion mit den Partnern von der Manchester University und eine detaillierte Struktur- und Elementanalyse brachte uns auf die richtige Spur: Wir sahen ganz offensichtlich winzige quadratische Eiskristalle, die sonst vor allem in sechseckiger Form vorkommen – zum Beispiel in Schneeflocken“, berichtet Professorin Ute Kaiser, Leiterin der Materialwissenschaftlichen Elektronenmikroskopie an der Uni Ulm.

Im Zuge des Projekts SALVE, in dem die Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskopie für strahlenempfindliche Materialien wie Graphen oder Biomoleküle weiterentwickelt werden soll, hatten die Ulmer Forscher Dr. Gerardo Algara-Siller und Dr. Ossi Lehtinen einen Wassertropfen zwischen zwei Graphenschichten gebracht. Mit dem Transmissionselektronenmikroskop wollten sie die Untersuchung eines biologischen Moleküls vorbereiten – doch dann offenbarte sich die Struktur des eingeschlossenen Wassers.

Tatsächlich sind solche dünnen Wasserfilme allgegenwärtig: Selbst in der trockensten Wüste überzieht eine mikroskopische Schicht alle Oberflächen und lässt sich in den kleinsten Poren oder Rissen – zum Beispiel in Gestein – nachweisen. Struktur und Eigenschaften dieser Wasserfilme waren weitestgehend unbekannt. Mit hochaufgelöster bildfehlerkorrigierter Elektronenmikroskopie ist den Forschern die Abbildung der Wassermoleküle und ihre chemische Analyse gelungen.

Das als Träger eingesetzte, transparente „Graphen-Sandwich" war lediglich zwei Atomlagen dick und der so genannte Van der Waals Druck sorgte für die Formung dieser eingeschränkten quadratischen Eis-Struktur bei Raumtemperatur zwischen den Graphenschichten. Anschließend wurden die Hochauflösungsabbildungen mit Bildsimulationen verifiziert – so konnte auch die Stapelordnung von drei Eismonoschichten, wie sie im Experiment gefunden wurden, bestimmt werden.

Die gefundene viereckige Anordnung von Wassermolekülen in der dünnen Eisschicht (siehe Abbildung 1) ist absolut ungewöhnlich für Wasser. In allen bisher bekannten Formen von Eis ordnen sich die Moleküle pyramidenförmig an“, sagt Ute Kaiser. Aber unter welchen Bedingungen kommen solche viereckigen Eiskristalle in der freien Natur vor? Dieser Frage gingen die Wissenschaftler mit Computersimulationen nach, die an der Chinese Academy of Science durchgeführt wurden. Offenbar bilden sich die quadratischen Kristalle im Graphen-Sandwich immer nur dann, wenn der Druck zwischen den Graphenschichten größer als 1 Gigapascal und der Wasserfilm dünn genug ist – sie dürften also in allen Rissen und bei allen Materialien im Nanobereich vorkommen.

An der Herausforderung, die Struktur von eingeschlossenem Wasser zu verstehen, sind schon viele Forscher gescheitert. Doch nun war die Ulmer Gruppe erfolgreich: „Mikroskopische Risse, Poren oder winzige Kanäle sind überall – und das nicht nur auf unserem Planeten. Für die Materialkunde ist es besonders wichtig zu wissen, dass sich Wasser auf der Nanoskala völlig anders verhält“, resümiert Professorin Irina Grigorieva, Leiterin der Forschergruppe aus Manchester. Dieser Gruppe gehört auch Professor Sir Andre Geim an, einer der Wissenschaftler, die 2010 den Nobelpreis für ihre Arbeit zu Graphen erhielten. Vor dem Hintergrund des ultraschnellen Wasserstransports durch Graphen-Nanokanäle hatte Geim bereits über quadratische Eiskristalle spekuliert – und wurde nun bestätigt. Es gibt also noch viel zu entdecken in der Nanowelt.

Weitere Informationen: Prof. Dr. Ute Kaiser: Tel.: 0731 50-22950, ute.kaiser@uni-ulm.de

G. Algara-Siller, O. Lehtinen, F. C. Wang, R. R. Nair, U. Kaiser, H. A. Wu, A. K. Geim
& I. V. Grigorieva, Square ice in graphene nanocapillaries, Nature 519, 443 (2015). DOI: 10.1038/nature14295

Zum Hintergrund:

Die Veröffentlichung ist im Zuge des SALVE- Projekts (Sub-Angström Low-Voltage Electron Microscopy) entstanden. Das Langzeitprojekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Baden-Württemberg mit über 12 Millionen Euro unterstützt. Projektpartner von SALVE sind die CEOS GmbH und nun auch die US-Firma FEI. Projektziel ist die Erfassung atomarer Strukturen von elektronenstrahlempfindlichen Materialien mit der Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskopie. Graphen, grundsätzlich als „Wunderwerkstoff“ bekannt, spielt eine wichtige Rolle in diesem Projekt, denn es dient als quasi unsichtbarer, das Objekt gegen Elektronenstrahlschädigung schützender Träger. Wie die jüngste Veröffentlichung gezeigt hat, kann Graphen das Objekt aber auch einschränken. Weiterhin ist an der Veröffentlichung der Sonderforschungsbereich/ Transregio 21 CoCoMat (Control of quantum correlation in matter, Universitäten Stuttgart, Tübingen, Ulm, Max-Planck-Institut für Festkörperforschung) beteiligt, in dessen Rahmen die Ulmer Gruppe bestehend aus Professor Fedor Jelezko, Professor Martin Plenio und Professorin Ute Kaiser mit Wissenschaftlern der University of Manchester im Projekt „Quantum simulator with engineered spin arrays in diamond“ zur weiteren Modifizierung von Graphen forscht.
Graphen ist nur eine Atomlage dick und härter als Diamant. Weiterhin ist das Material extrem leicht, flexibel und transparent. Dazu kommt eine hohe Wärme- und Stromleitfähigkeit. Im eine Milliarde Euro schweren und auf zehn Jahre angelegten „EU Graphene Flagship“ forscht nun auch Professorin Ute Kaiser mit ihren Mitarbeitern in der Materialwissenschaftlichen Elektronenmikroskopie daran, Graphen aus den Labors zu holen und für den täglichen Gebrauch einzusetzen.
In Ulm wird das von den Partnern (BASF, Uni Bielefeld, Uni Jena) entwickelte Material elektronenmikroskopisch charakterisiert.

Weitere Informationen:

http://www.salve-project.de

Annika Bingmann | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Beschichtung lässt Muscheln abrutschen
18.08.2017 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht PKW-Verglasung aus Plastik?
15.08.2017 | Technische Hochschule Mittelhessen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die Zukunft des Leichtbaus: Mehr als nur Material einsparen

23.08.2017 | Veranstaltungen

Logistikmanagement-Konferenz 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Spot auf die Maschinerie des Lebens

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die Sonne: Motor des Erdklimas

23.08.2017 | Physik Astronomie

Entfesselte Magnetkraft

23.08.2017 | Physik Astronomie