Tanz der Ionen

SFB-Sprecher Prof. Dr. Klaus Funke konkretisiert die Fragen, die ihn und seine Kollegen bewegen: „Wie laufen die Platzwechselbewegungen der Ionen in ungeordneten kristallinen, glasigen und polymeren Systemen auf atomarer Skala ab? Kann man sie nachvollziehen und verstehen?“ Die Bewegungen vieler Ionen sind extrem komplex, zumal sie sich gegenseitig beeinflussen.

Die Wissenschaftler, die eng zusammenarbeiten, erforschen in 18 Teilprojekten experimentell und theoretisch unterschiedliche Aspekte dieses Problems. Sie haben dabei ein „universelles“ Verhalten von Ionen in ganz unterschiedlichen Materialien festgestellt, andererseits aber auch materialspezifische Besonderheiten der Ionendynamik erkannt.

Die Bewegung von Ionen hängt von den jeweiligen Materialeigenschaften ab: In Kristallen mit einer perfekt geordneten Struktur zum Beispiel gibt es keine Möglichkeiten für Ionen, ihre Position zu verändern. In Materialien mit ungeordneter Struktur dagegen entsteht eine sehr komplexe Ionenbewegung, ein „Tanz der Ionen“, wie Prof. Funke augenzwinkernd veranschaulicht: eine komplizierte, nicht regellose Abfolge von Hüpfbewegungen. „Unser Forschungsfeld wird als Solid State Ionics bezeichnet. Es umfasst sowohl Grundlagen als auch Anwendungen und entwickelt sich zur Zeit äußerst rasch“, so Prof. Funke. „Der SFB 458 gilt dabei weltweit als eines der führenden Forschungszentren auf diesem Gebiet.“

Prof. Dr. Monika Schönhoff beschreibt die Forschung in einem SFB-Teilprojekt: „Wir untersuchen, wie Nanomaterialien als Ionenleiter funktionieren.“ Dazu verwenden die Forscher so genannte Polyelektrolyt-Multischichten. Diese mechanisch sehr stabilen Materialien bestehen aus extrem dünnen Schichten von Polymeren, wobei die Schichten, deren Dicke im Nanometerbereich liegt, abwechselnd positiv und negativ geladen sind und sich daher gegenseitig anziehen. Die Forscher des SFB wollen solche Materialien als Ionenleiter verwenden, indem sie nachträglich Ionen in Form von Salzen einbringen und so das Ladungsgleichgewicht verändern.

Eine leitfähige Polyelektrolyt-Multischicht könnte zum Beispiel Anwendung in einer Lithium-Batterie finden, und zwar als Membran, die einen Ionenfluss zwischen den Elektroden ermöglicht. Da die Membran sehr dünn ist, würde die Aufladezeit der Batterie beschleunigt – „Das ist besonders wünschenswert, beispielsweise, wenn man an einen Laptop-Akku denkt“, so Prof. Schönhoff.

Ein anderes Teilprojekt beschäftigt sich ebenfalls mit ionenleitenden Nanomaterialien, und zwar mit solchen, die aus verschiedenen sehr dünnen Schichten bestehen, die jeweils nur 10 bis 30 Atomlagen „dick“ sind. „Mit abnehmender Dicke ändert sich das Ionentransportverhalten dieser Materialien“, erklärt Prof. Dr. Guido Schmitz. „Die Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten beeinflussen den Ionenfluss im Material bis zu einer bestimmten Tiefe. Je dünner die Schichten sind, desto stärker ist der Einfluss der Grenzflächen auf die Ionenleitfähigkeit des Materials.“

Um die lokale Zusammensetzung der Materialproben zu bestimmen, setzen die münsterschen Forscher abbildende Analyseverfahren höchster Auflösung ein, zum Beispiel eine so genannte Atomsonde. „Durch sehr kurze Hochspannung oder per Laserimpuls werden zunächst einzelne Atome aus der Probe gelöst“, erklärt Prof. Dr. Guido Schmitz. Nachdem sie dann auf einem speziellen Detektor auftreffen, werden die Koordinaten und Eigenschaften jedes Atoms ausgewertet, so dass ein räumliches Bild der Anordnung der einzelnen Atome entsteht.

Natürlich haben die Wissenschaftler technische Einsatzmöglichkeiten ihrer Forschungsergebnisse im Blick, also umweltfreundliche Systeme zur Energieumwandlung – vor allem Brennstoffzellen und Lithiumionenbatterien – sowie chemische Sensoren und elektrochrome Displays. „Derartige Anwendungen sind auf ein solides Fundament angewiesen“, so Prof. Funke. Die Grundlagenforschung im SFB 458 trägt zum Ausbau des Fundaments bei und eröffnet damit Zukunftsperspektiven für die Optimierung von Materialien für die verschiedensten technischen Anwendungen.