Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Kristall schluckt Hyperschall

09.11.2006
Mainzer Max-Planck-Forscher stellen erstmals Kristalle her, die mit Schallwellen und Licht gleichzeitig wechselwirken können

Eine Glasplatte, Silikonöl und Polystyrolkügelchen - aus diesen einfachen Komponenten haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz einen Kolloidkristall hergestellt, der Hyperschallwellen blockiert.


Auf dieser elektronenmikroskopischen Aufnahme der Kolloidkristalloberfläche erkennt man die gleichmäßig nebeneinander angeordneten Polystyrolkugeln, deren Durchmesser 256 Nanometer beträgt. Bild: Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Die Struktur des Materials ist so fein, dass es nicht nur mit hochfrequenten Schallwellen sondern auch mit Lichtwellen wechselwirkt. Den Forschern gelang es außerdem erstmals, mittels einer speziellen hochauflösenden Spektroskopiemethode Lage und Breite des Frequenzintervalls, das der Kristall schluckt, sehr genau zu vermessen. Materialien dieser Art könnte man verwenden, um Schallschilder, akustische Superlinsen oder Wärmebarrieren zu konstruieren (Nature Materials, online: 3. September 2006).

Ein Fenster, das das Rauschen der Autobahn konsequent aussperrt aber Vogelgezwitscher rein lässt - phononische Kristalle könnten das möglich machen. Solche Kristalle blockieren Schallwellen mit bestimmten Frequenzen, andere Frequenzen durchdringen das Material mühelos. Der Frequenzbereich, der den Kristall nicht passieren kann, heißt Bandlücke.

Bisher existierten lediglich phononische Kristalle mit Bandlücken für hörbaren Schall (20Hz bis 20 kHz) oder Ultraschall (20 kHz bis 100 MHz). Nun stellten Mainzer Forscher erstmals einen Kristall her, der Hyperschallwellen reflektiert, also Frequenzen im Gigahertzbereich. Da er aus unzähligen nanometergroßen Teilchen besteht, sogenannten Kolloiden, bezeichnet man ihn als Kolloidkristall. Damit erzielten die Wissenschaftler einen wichtigen Fortschritt bei der Erforschung von Bandlücken. "Viele der Effekt in solchen Materialien sind noch unerforscht", sagt Dr. Ulrich Jonas, der Projektleiter, "wir dringen hier in physikalisches Neuland vor."

Denn die kurzen Hyperschallwellen haben interessante Eigenschaften, die sie deutlich von ihren langen Verwandten unterscheiden. Anders als Schall- und Ultraschallwellen, die immer aus einer externen Quelle stammen, gehen Hyperschallwellen unter anderem aus der Wärmebewegung der Atome in dem Kristall selber hervor. Selbst Isoliermaterialien übertragen Wärme über akustische Wellen im Gigahertzbereich. Lässt sich die Bewegung dieser Wellen beeinflussen, wirkt sich das direkt auf die Wärmeleitfähigkeit aus. Diesen Effekt könnten hocheffektive Wärmebarrieren ausnutzen.

Außerdem verfügen Kristalle, die im Gigahertzbereich absorbieren, über Bandlücken für Licht und Schall. Man kann also gleichzeitig steuern, wie sich akustische und optische Wellen im Material fortsetzen und miteinander wechselwirken. Diese einzigartige Eigenschaft erlaubt es möglicher Weise, optische Modulatoren oder, etwas weiter in die Zukunft gedacht, akustische Laser zu entwickeln.

In phononischen Kristallen wechseln sich gleichmäßig Abschnitte mit hoher Elastizität und niedriger Elastizität ab. Der Schall ist so mal schneller und mal langsamer - stop and go für die Schallwellen. Das Material blockt Schallwellen ab, deren Wellenlänge etwa so lang ist, wie die Bereiche verschiedener Elastizität im Kristall voneinander entfernt sind. Für Bandlücken im Hyperschallbereich mit sehr kurzen Wellenlängen müssen Wissenschaftler deshalb ein periodisches Muster im Nanometermaßstab erzeugen, während für hörbaren Schall zentimetergroße und für Ultraschall millimeter- bis einige zehn mikrometergroße Strukturen reichen.

Im phononischen Kristall der Mainzer Forscher bilden nanometergroße Polystyrolkugeln (aus Polystyrol besteht auch Styropor) und Silikonöl die beiden Phasen mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten. Die winzigen Kugeln ordnen sich von selber regelmäßig auf einer Glasplatte an, während die Forscher sie aus einer wässrigen Suspension der Polystyrolkugeln ziehen. Anschließend trocknen die Wissenschaftler die Probe und benetzen sie mit Silikonöl. Indem sie die Kugelgröße oder die Benetzungsflüssigkeit verändern, können sie die Lage und Breite der Bandlücke gezielt einstellen.

Um die Bandlücke zu vermessen, verwendeten die Wissenschaftler erstmals ein relativ neu entwickeltes Verfahren: die hochauflösende Brillouin-Spektroskopie, die auf der Streuung von Licht beruht. Mit dieser Technik konnten sie in außergewöhnlich hoher Auflösung messen, welche Schallwellen sich im nanostrukturierten Kristall ausbreiten können und welche nicht. Die hohe Messgenauigkeit schafft auch die Voraussetzung, um akustische Superlinsen für die hochauflösende Ultraschall-Bildgebung herzustellen.

Die Forscher haben also ein neuartiges Material mit einer Bandlücke im Hyperschall entwickelt und diese Bandlücke dazu noch mit bislang ungekannter Präzision vermessen. "Wir versuchen nun auch das Kugelmaterial zu variieren und mehrere Bandlücken herzustellen" gibt Dr. Jonas einen Ausblick, "damit wollen wir das Material an denkbare technische Anwendungen anpassen."

Originalveröffentlichung:

W. Cheng, J. Wang, U. Jonas, G. Fytas, N. Stefanou,
Observation and Tuning of Hypersonic Bandgaps in Colloidal Crystals
Nature Materials, online: 3. September 2006
E. L. Thomas, T. Gorishnyy, Maldovan, M.
Colloidal Crystals go Hypersonic
Nature Materials, Oktober 2006

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Neue Oberflächeneigenschaften für holzbasierte Werkstoffe
14.08.2018 | INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Jena

nachricht Europaweit einzigartiges Forschungszentrum geht an den Start
14.08.2018 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

Computersimulationen zeigen neues Verhalten von Antiskyrmionen bei zunehmenden elektrischen Strömen

Skyrmionen sind magnetische Nanopartikel, die als vielversprechende Kandidaten für neue Technologien zur Datenspeicherung und Informationsverarbeitung gelten....

Im Focus: Unraveling the nature of 'whistlers' from space in the lab

A new study sheds light on how ultralow frequency radio waves and plasmas interact

Scientists at the University of California, Los Angeles present new research on a curious cosmic phenomenon known as "whistlers" -- very low frequency packets...

Im Focus: Neue interaktive Software: Maschinelles Lernen macht Autodesigns aerodynamischer

Neue Software verwendet erstmals maschinelles Lernen um Strömungsfelder um interaktiv designbare 3D-Objekte zu berechnen. Methode wird auf der renommierten SIGGRAPH-Konferenz vorgestellt

Wollen Ingenieure oder Designer die aerodynamischen Eigenschaften eines neu gestalteten Autos, eines Flugzeugs oder anderer Objekte testen, lassen sie den...

Im Focus: New interactive machine learning tool makes car designs more aerodynamic

Scientists develop first tool to use machine learning methods to compute flow around interactively designable 3D objects. Tool will be presented at this year’s prestigious SIGGRAPH conference.

When engineers or designers want to test the aerodynamic properties of the newly designed shape of a car, airplane, or other object, they would normally model...

Im Focus: Der Roboter als „Tankwart“: TU Graz entwickelt robotergesteuertes Schnellladesystem für E-Fahrzeuge

Eine Weltneuheit präsentieren Forschende der TU Graz gemeinsam mit Industriepartnern: Den Prototypen eines robotergesteuerten CCS-Schnellladesystems für Elektrofahrzeuge, das erstmals auch das serielle Laden von Fahrzeugen in unterschiedlichen Parkpositionen ermöglicht.

Für elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden weltweit hohe Wachstumsraten prognostiziert: 2025, so die Prognosen, wird es jährlich bereits 25 Millionen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Das Architekturmodell in Zeiten der Digitalen Transformation

14.08.2018 | Veranstaltungen

EEA-ESEM Konferenz findet an der Uni Köln statt

13.08.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung in der chemischen Industrie

09.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Macht Sinn: Fraunhofer entwickelt Sensorsystem für KMU

15.08.2018 | Energie und Elektrotechnik

Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

15.08.2018 | Informationstechnologie

FKIE-Wissenschaftler präsentiert neuen Ansatz zur Detektion von Malware-Daten in Bilddateien

15.08.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics