Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Poren in geordneten Positionen

29.08.2006
Max-Planck-Wissenschaftler überziehen Aluminium rasch mit einer strukturierten Oxidschicht, die sich für nanotechnologische Anwendungen eignet

Ob Kochgeschirr, Fensterrahmen oder Karosserieteile - Aluminium macht viele Dinge leicht und stabil. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle haben jetzt ein neues Verfahren entwickelt, um das Metall mit einem schützenden Oxid-Mantel zu überziehen. Dabei nutzen sie die Vorteile zweier bereits bekannter Verfahren der elektrolytischen Oxidation von Aluminium (Eloxal-Verfahren). Sie geben der Oxidschicht mit der neuen Methode nicht nur eine sehr geordnete Porenstruktur, sondern lassen die Poren auch sehr rasch wachsen. Die herkömmlichen Eloxal-Verfahren liefern entweder geordnete Strukturen oder waren schnell. Der neue Prozess eignet sich, um Produkte der Hochtechnologie wie photonische Kristalle oder gezielt Nanostrukturen herzustellen. (Nature Materials advanced online publication 20. August 2006)


(a) Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Aluminiumoxid. Das weiche Eloxal-Verfahren (MA - linke Spalte) liefert feinere Poren als die harte Anodisierung (HA - rechte Spalte), das die Hallenser Wissenschaftler entwickelt haben. In der oberen Reihe ist die hexagonale Anordnung der Poren deutlich zu erkennen. Die unteren Aufnahmen des Querschnitts zeigen, wie dick die Membran sind. (b) Querschnittsaufnahme einer Aluminiumoxid-Membran: Hier haben die Wissenschaftler den Porenduchmesser beeinflusst, indem sie bei der Elektrolyse die Spannung variierten. Bild: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik

Egal wo uns Aluminium im Alltag begegnet, das Metall hat wahrscheinlich immer dasselbe mitgemacht: bis zu einer halben Stunde Elektrolyse bei mehr als 70 Volt in fünf bis zehn prozentiger Schwefelsäure. Die Prozedur macht den Werkstoff hart und imprägniert ihn mit einer Schicht aus Aluminiumoxid. Der Oxid-Mantel ist zwischen 5 und 25 Mikrometer dick und verhindert, dass weiterer Sauerstoff das Metall zersetzt. Die Methode, die schnell wirkt und preiswert ist, bezeichnen Materialwissenschaftler als hartes Eloxal-Verfahren oder harte Anodisierung (HA).

"Wir haben den HA-Prozess jetzt so abgewandelt, dass wir Oxidschichten mit regelmäßig angeordneten Poren erzeugen", sagt Woo Lee, der maßgeblich dazu beigetragen hat, den Prozess zu entwickeln. Eine geordnete Oxidschicht verspricht viele Anwendungen in der Nanotechnologie, während eine ungeordnete Oxidschicht gerade einmal Fensterrahmen und Karosserien gegen Korrosion imprägnieren kann. "Mit unserem Verfahren können wir auch photonische Kristalle züchten, mit denen die Optoelektronik arbeitet", so Woo Lee. Oder Materialwissenschaftler nutzen solche Strukturen, um darauf geordnet Nanodrähte wachsen zu lassen. "Unsere Methode ist für eine technische Anwendung sehr interessant, weil die Oxidschicht dabei in weniger als einer Stunde auf 50 Mikrometer anwächst", sagt Kornelius Nielsch, der die Arbeitgruppe leitet, die das neue Verfahren entwickelt hat. So schnell also wie im herkömmlichen HA-Prozess mit Schwefelsäure, der jedoch nur ungeordnete Porenstrukturen liefert.

Damit sich die Poren zu einem regelmäßigen Muster anordnen, füllen die Forscher Oxal- statt Schwefelsäure in die Elektrolysezelle. Dann legen sie für fünf bis zehn Minuten 40 Volt an und fahren die Spannung dann auf über 110 Volt hoch. Da sich die Elektrolysezelle dabei stark aufheizt, haben sie eine spezielle Kühlung entworfen. In einem Prozess, den Physiker als Selbstorganisation bezeichnen, ordnet sich die Poren des Aluminiumoxid in einer hexagonalen Struktur an, die an eine Bienenwabe erinnert. Dabei ist jede Pore regelmäßig von sechs weiteren umgeben.

Unter milderen Bedingungen, vor allem mit sehr viel niedrigerer Spannung, lassen sich solche geordneten Strukturen schon seit ca. 10 Jahren produzieren. Diese weichen Anodisierungs-(MA)-Verfahren brauchen allerdings Tage, um Oxidschichten zu erzeugen, deren Dicke technisch relevant ist. Mit dem neuen Verfahren haben die Wissenschaftler den Prozess nicht nur drastisch beschleunigt. Sie haben auch Poren in einem Abstand von 200 bis 300 Nanometern gezüchtet - das war mit den bereits bekannten Verfahren nicht möglich. Indem sie die Spannung verändern, manipulieren die Wissenschaftler zudem den Durchmesser der Poren: So formen sie Kanälchen, die sich mal um einige Nanometer weiten und dann wieder verjüngen.

Noch ist nicht völlig klar, warum das Aluminiumoxid solche geordneten Strukturen bildet. Fest steht nur: Mit niedriger Spannung zu beginnen, schafft eine wenige Nanometer dicke Schutzschicht, die das System bei hohen Spannungen vor Kurzschlüssen schützt. Auch die Kühlung leistet einen wichtigen Beitrag. Denn die Hitze, die auch im herkömmlichen HA-Prozess frei wird, stört das geordnete Wachstum und reißt die Oxidschicht auf. Doch welche Kraft zwingt das Oxid in die regelmäßige Struktur? "Wir vermuten, dass die hohe Wachstumsrate das Aluminium unter enormen mechanischen Stress setzt, weil es sich dabei im Volumen ausdehnt", sagt Woo Lee: "Diesem Stress weicht das System vermutlich aus, indem sich die Poren so kompakt wie möglich anordnen. Dabei bildet das Aluminiumoxid selbst-organisiert eine Bienenwabenstruktur." Ganz ähnlich, wie sich Bälle in einer Ebene zu einer hexagonalen Struktur anordnen, wenn man sie möglichst dicht zusammenpacken möchte. Zu verstehen, wie sich die geordnete Struktur aus Aluminiumoxid bilden, ist nicht nur von akademischem Interesse: Erst wenn die Wissenschaftler den Prozess verstehen, können sie auch gezielt weitere harte Eloxal-Verfahren mit wesentlich kleineren Poren oder anderen Elektrolyten entwickeln.

Originalveröffentlichung:

Woo Lee, Ran Ji, Ulrich Gösele, Kornelius Nielsch
Fast fabrication of long-range ordered porous alumina membranes by hard anodization.

Nature Materials advanced online-publications, 20. August 2006

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: ALUMINIUM Aluminiumoxid Eloxal-Verfahren Oxidschicht Poren Prozess

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Neues Testverfahren für Photovoltaikwafer als DIN SPEC
26.06.2017 | Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig

nachricht Ausweg aus dem Chrom-Verbot
30.05.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Digital Mobility“– 48 Mio. Euro für die Entwicklung des digitalen Fahrzeuges

26.06.2017 | Förderungen Preise

Fahrerlose Transportfahrzeuge reagieren bald automatisch auf Störungen

26.06.2017 | Verkehr Logistik

Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit

26.06.2017 | Physik Astronomie