Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Atome in Nanomaterialien vibrieren

10.03.2016

Forscherinnen und Forscher um ETH-Professorin Vanessa Wood sind mittels umfangreichen Analysen den Gittervibrationen von Nanokristallen auf die Spur gekommen. Die Erkenntnisse helfen, nanostrukturierte Materialien systematisch und gezielt weiterzuentwickeln.

Materialien bestehen aus Atomen, die bei Raumtemperatur vibrieren. Diese kollektiven Gitterschwingungen, auch Phononen genannt, sind für Eigenschaften wie Wärme- und Ladungstransport verantwortlich. Gitterschwingungen in Metallen, Halbleitern und Isolatoren sind heute gut erforscht.


Die starken Gitterschwingungen in der Hülle von Nanokristallen sind für eine schlechtere Umwandlungseffizienz von Licht in elektrische Energie verantwortlich.

Grafik: Deniz Bozyigit / ETH Zürich

Bisher war allerdings unklar, wie sie sich in neuen, nanostrukturierten Materialien verhalten, von denen man sich bessere Displays, Sensoren, Batterien und katalytische Membranen verspricht.

Gitter schwingt stark an weichen Oberflächen

In einem aktuellen Fachartikel in der Zeitschrift «Nature» zeigen ETH-Professorin Vanessa Wood und ihr Team, wie sich Gitterschwingungen in Nanopartikeln verhalten und wie dieses Wissen systematisch für die gezielte Entwicklung von nanostrukturierten Materialien verwendet werden kann.

Bei Materialien mit einer Grösse von weniger als 10 bis 20 Nanometern – etwa 5000 mal dünner als ein menschliches Haar – sind Schwingungen von Oberflächenatomen besonders ausgeprägt und haben einen wichtigen Einfluss auf die Materialeigenschaften.

«Während in Bereichen wie der Katalyse, der Thermoelektrik oder der Supraleitung solch starke Schwingungen hilfreich sein können, ist der beobachtete Effekt für andere Anwendungen wie LEDs und Solarzellen unerwünscht», erklärt Wood.

Tatsächlich erklärt die Publikation, weshalb Solarzellen aus Nanopartikeln ihr Potential bislang noch nicht vollständig ausschöpfen konnten. Durch den Vergleich von Experiment und Simulation zeigt die Forschungsgruppe, wie die Interaktion von Gitterschwingungen an der Oberfläche mit Elektronen den Fotostrom in den Solarzellen verringert.

«Da wir nun zeigen konnten, dass Gitterschwingungen an der Oberfläche ausserordentlich wichtig sind, können wir systematisch Materialien entwickeln, die diese unterdrücken oder verstärken», so Wood.

Bessere Solarzellen

Woods Forschungsgruppe arbeitet schon seit längerem mit besonderen Nanomaterialien, den kolloidalen Nanokristallen. Diese Kristalle, die auch als Quantenpunkte bekannt sind, besitzen Halbleitereigenschaften und können kontrolliert mit einem Durchmesser von zwei bis zehn Nanometern synthetisiert werden.

Diese Materialien sind aufgrund ihrer optischen und elektrischen Eigenschaften interessant, die beide stark von der Partikelgrösse abhängen. Sie werden bereits heute kommerziell als rote und grüne Leuchtmittel in LED-Fernsehern genutzt und als kostengünstige Alternative für aus Lösungsmitteln abgeschiedene Solarzellen gehandelt. Forscher haben herausgefunden, dass wenn man eine Schale aus bestimmten Atomen um die Oberfläche der Nanokristalle legt, dann kann man die Leistung der Solarzelle verbessern.

Bisher war unklar, wieso dies funktioniert. Der in «Nature» publizierte Fachartikel erklärt nun, wie dies geschieht: Eine harte Schale von Atomen unterdrückt die Gitterschwingungen und deren Wechselwirkung mit Elektronen. Dies führt zu höheren Fotoströmen und effizienteren Solarzellen.

Ihre Untersuchungen führten die ETH-Forschenden an der Schweizer Spallationsneutronenquelle am Paul Scherrer Institut (PSI) durch. Beim Beschuss der Kristalle mit Neutronen beobachteten die Wissenschaftler die Struktur und die Vibration der Atome in diesen winzigen Festkörpern. Die Gitterschwingungen der Nanokristalle wurden auch mithilfe von Supercomputern am Nationalen Hochleistungsrechenzentrum (CSCS) in Lugano simuliert. «Ohne Zugang zu diesen Grossforschungsanlagen wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen. In der Schweiz sind wir in der glücklichen Situation, solch einzigartige Einrichtungen zur Verfügung zu haben», betont die ETH-Professorin.

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2016/03/phonon-int...

Peter Rüegg | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Leibniz-IWT an Raumfahrtmission beteiligt: Bremer unterstützen Experimente im All
14.08.2018 | Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien

nachricht Intensive Laser-Cluster Wechselwirkungen führen zu niedrigenergetischer Elektronenemission
09.08.2018 | Forschungsverbund Berlin e.V.

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: 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...

Im Focus: Robots as 'pump attendants': TU Graz develops robot-controlled rapid charging system for e-vehicles

Researchers from TU Graz and their industry partners have unveiled a world first: the prototype of a robot-controlled, high-speed combined charging system (CCS) for electric vehicles that enables series charging of cars in various parking positions.

Global demand for electric vehicles is forecast to rise sharply: by 2025, the number of new vehicle registrations is expected to reach 25 million per year....

Im Focus: Der „TRiC” bei der Aktinfaltung

Damit Proteine ihre Aufgaben in Zellen wahrnehmen können, müssen sie richtig gefaltet sein. Molekulare Assistenten, sogenannte Chaperone, unterstützen Proteine dabei, sich in ihre funktionsfähige, dreidimensionale Struktur zu falten. Während die meisten Proteine sich bis zu einem bestimmten Grad ohne Hilfe falten können, haben Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie nun gezeigt, dass Aktin komplett von den Chaperonen abhängig ist. Aktin ist das am häufigsten vorkommende Protein in höher entwickelten Zellen. Das Chaperon TRiC wendet einen bislang noch nicht beschriebenen Mechanismus für die Proteinfaltung an. Die Studie wurde im Fachfachjournal Cell publiziert.

Bei Aktin handelt es sich um das am häufigsten vorkommende Protein in höher entwickelten Zellen, das bei Prozessen wie Zellstabilisation, Zellteilung und...

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

Kleine Helfer bei der Zellreinigung

14.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Oberflächeneigenschaften für holzbasierte Werkstoffe

14.08.2018 | Materialwissenschaften

Fraunhofer IPT unterstützt Zweitplatzierten bei SpaceX-Wettbewerb

14.08.2018 | Förderungen Preise

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