Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einem altbekannten Material ein modernes Rätsel entlockt

05.12.2014

Magnetit dient bei chemischen Reaktionen oft als Katalysator. An seiner Oberfläche können andere Metallatome so gebunden werden, dass sie voneinander getrennt bleiben und sich nicht zu größeren Metallpartikeln zusammenschließen.

Wissenschaftler vermuten, dass dies chemische Reaktionen besonders gut beschleunigt. Wie diese Eigenschaft zustande kommt, war bisher jedoch nicht bekannt. Wissenschaftler der Technischen Universität Wien und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben nun nachgewiesen, dass das Geheimnis in der besonderen Struktur der Eisenoxid-Oberfläche liegt. Ihre Ergebnisse haben sie jetzt in dem renommierten Wissenschaftsmagazin Science veröffentlicht.*

Eisen(II,III)oxid – besser bekannt als Magnetit – ist wegen seiner magnetischen Eigenschaften bereits seit Jahrtausenden für den Menschen interessant; so konnten schon in der Antike Magnetkompasse zur Orientierung gebaut werden. Heute interessieren Wissenschaftler jedoch nicht mehr so sehr die magnetischen Eigenschaften des Materials, sondern das, was sich an der Oberfläche eines Eisenoxid-Kristalls abspielt. Denn diese Vorgänge sind für die guten katalytischen Eigenschaften des Eisenoxids verantwortlich.

Zusammen mit Forschern der TU Wien haben Wissenschaftler am Lehrstuhl für Festkörperphysik der FAU daher die Struktur der Oberfläche untersucht. Im Inneren eines Kristalls ist es vergleichsweise leicht, die Struktur zu beschreiben – jedes Eisen- bzw. Sauerstoffatom hat einen bestimmten Platz, der sich periodisch wiederholt. „Uns hat dagegen interessiert, wie sich die Atome in den äußersten Lagen des Kristalls anordnen, wo diese Symmetrie gebrochen ist“, erläutert Prof. Alexander Schneider.

Die Wissenschaftler beobachteten, dass im Oberflächenbereich weniger Eisenatome vorhanden sind und diese sich auch in anderer Weise als im Innern des Kristalls im praktisch unveränderten Sauerstoffgitter anordnen. Dadurch entstehen besondere Bindungsplätze für sich von außen anlagernde Atome und Moleküle. Dies widerlegt die bisherige Annahme, dass die Chemie von Metalloxidoberflächen grundsätzlich durch das Fehlen von Sauerstoffatomen bestimmt wird. Die Ergebnisse lassen erwarten, dass der Mechanismus der Fehlstellenbildung und Umordnung der Metallatome im intakten Sauerstoffgitter auch an den Oberflächen vieler anderer Metalloxide wirksam ist.

Erlanger Spezialgebiet

Die Struktur eines so komplexen Materials aufzuklären, ist trotz modernster experimenteller und theoretischer Methoden ein schwieriges Unterfangen. Dies gelang der Forschergruppe in Erlangen mit Hilfe der Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED: Low-Energy Electron Diffraction). Bei dieser Methode werden Elektronen auf den Kristall geschossen und an dessen Oberfläche in wohldefinierte Richtungen abgelenkt.

Aus den Intensitäten dieser gebeugten Elektronenstrahlen können die Wissenschaftler auf der Basis aufwändiger Modellrechnungen dessen Oberflächenstruktur feststellen. Mit dieser Methode hat sich die Arbeitsgruppe des inzwischen emeritierten Prof. Klaus Heinz am Lehrstuhl für Festkörperphysik der FAU eine weltweite Führungsposition bei der Aufklärung der atomaren Struktur von Kristalloberflächen erarbeitet.

„Die in dieser Studie erzielte Übereinstimmung aus Experiment und Vergleichsrechnung ist so gut, dass wir nun nicht nur genauestens über die Eisenoxidoberfläche Bescheid wissen, sondern auch zeigen können, dass die Methode der Elektronenbeugung mit der Beschreibung dieser Materialklasse – entgegen einer in der Fachwelt häufig vertretenen Meinung – bestens zurecht kommt“, freut sich Dr. Lutz Hammer.

*R. Bliem, et al. , Science, 5. Dezember 2014, Vol. 346, #621 4; doi: 10.1126/science.1260556

Weitere Informationen für die Medien:
Dr. Lutz Hammer
Tel.: 09131/85-28404
lutz.hammer@physik.uni-erlangen.de

Prof. Dr. Alexander Schneider
Tel.: 09131/85-28405
alexander.schneider@physik.uni-erlangen.de

Blandina Mangelkramer | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.fau.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdeckt
17.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Vorhersagen bestätigt: Schwere Elemente bei Neutronensternverschmelzungen nachgewiesen
17.10.2017 | GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Im Focus: Breaking: the first light from two neutron stars merging

Seven new papers describe the first-ever detection of light from a gravitational wave source. The event, caused by two neutron stars colliding and merging together, was dubbed GW170817 because it sent ripples through space-time that reached Earth on 2017 August 17. Around the world, hundreds of excited astronomers mobilized quickly and were able to observe the event using numerous telescopes, providing a wealth of new data.

Previous detections of gravitational waves have all involved the merger of two black holes, a feat that won the 2017 Nobel Prize in Physics earlier this month....

Im Focus: Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdeckt

Physiker des HZB haben an BESSY II Materialien untersucht, die zu den topologischen Isolatoren gehören. Dabei entdeckten sie einen neuen Phasenübergang zwischen zwei unterschiedlichen topologischen Phasen. Eine dieser Phasen ist ferroelektrisch: das bedeutet, dass sich im Material spontan eine elektrische Polarisation ausbildet, die sich durch ein äußeres elektrisches Feld umschalten lässt. Dieses Ergebnis könnte neue Anwendungen wie das Schalten zwischen unterschiedlichen Leitfähigkeiten ermöglichen.

Topologische Isolatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie an ihren Oberflächen Strom sehr gut leiten, während sie im Innern Isolatoren sind. Zu dieser neuen...

Im Focus: Smarte Sensoren für effiziente Prozesse

Materialfehler im Endprodukt können in vielen Industriebereichen zu frühzeitigem Versagen führen und den sicheren Gebrauch der Erzeugnisse massiv beeinträchtigen. Eine Schlüsselrolle im Rahmen der Qualitätssicherung kommt daher intelligenten, zerstörungsfreien Sensorsystemen zu, die es erlauben, Bauteile schnell und kostengünstig zu prüfen, ohne das Material selbst zu beschädigen oder die Oberfläche zu verändern. Experten des Fraunhofer IZFP in Saarbrücken präsentieren vom 7. bis 10. November 2017 auf der Blechexpo in Stuttgart zwei Exponate, die eine schnelle, zuverlässige und automatisierte Materialcharakterisierung und Fehlerbestimmung ermöglichen (Halle 5, Stand 5306).

Bei Verwendung zeitaufwändiger zerstörender Prüfverfahren zieht die Qualitätsprüfung durch die Beschädigung oder Zerstörung der Produkte enorme Kosten nach...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Intelligente Messmethoden für die Bauwerkssicherheit: Fachtagung „Messen im Bauwesen“ am 14.11.2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Meeresbiologe Mark E. Hay zu Gast bei den "Noblen Gesprächen" am Beutenberg Campus in Jena

16.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

17.10.2017 | Informationstechnologie

Pflanzen gegen Staunässe schützen

17.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Trends der Umweltbranche auf der Spur

17.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz