11.03.2011

Form bestimmt Ordnung

Regelmäßig geordnete Kristalle durch Selbstorganisation aus würfelförmigen Nanopartikeln hergestellt.

Regelmäßig geordnete Kristalle durch Selbstorganisation aus würfelförmigen Nanopartikeln hergestellt.

Selbstorganisation gilt als vielversprechende Möglichkeit zur Herstellung neuartiger Strukturen in der Größenordnung von Nanometern. Dabei setzen sich Moleküle oder Nanopartikel aufgrund physikalischer Wechselwirkungen quasi von selbst zu geordneten Einheiten zusammen. Bisherige Forschungsarbeiten beschäftigten sich meist mit der Selbstorganisation kugelförmiger Teilchen. Wissenschaftler aus Jülich, Stockholm, Lüttich und dem japanischen Hyogo wiesen nun erstmals eine geordnete dreidimensionale Struktur durch Selbstorganisation würfelförmiger magnetischer Nanoteilchen nach. Sie konnten zeigen, dass sich die Würfel anders ordnen als Kugeln aus dem gleichen Material. Auch hatten kleine Veränderungen der Form der Würfel Auswirkung auf ihre kristalline Anordnung. Die Form der Bausteine bestimmte also die Struktur des Kristalls und damit seine Funktionalität.

Bei den Experimenten kamen Würfel aus magnetischen Eisenoxideinkristallen mit mäßig abgeflachten Ecken zum Einsatz. Sie ordneten sich mit den abgeflachten Ecken zueinander an, sodass jeder Würfel acht direkte Nachbarn hat (tetragonal-raumzentriert). Bei geringerer Abflachung, also spitzeren Ecken, sollten die Würfel sich einfach kubisch, d.h. Fläche an Fläche, anordnen mit jeweils sechs direkten Nachbarn pro Würfel. Dies zeigten Abschätzungen der magnetischen und elektrischen Wechselwirkungen zwischen den Bauteilen. Entscheidend für die Ordnung sind Van-der-Waals-Kräfte. An den stark abgeflachten Ecken ist die anziehende Kraft zwischen den Teilchen stärker als zwischen den Kanten und Flächen, sodass eine Anordnung vorteilhaft ist, die die Ecken nahe zusammenbringt.

Abb.: (a-c) Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Eisenoxid-Mesokristalle auf einer Germaniumoberfläche; der Balken entspricht jeweils einer Länge von 100 Nanometern. (a) Übersicht. (b und c) Vergrößerung der in a markierten Bereiche eines Mesokristalls (b) und einer Monolage von Nanowürfeln auf der Germaniumfläche (c). (d) Rasterkraftmikroskopie der Mesokristalle in einem Bereich von 10 x 10 Mikrometern. (Bild: S. Disch et al., Nano Lett.)

Mit Hilfe elektronenmikroskopischer Methoden und Streumethoden konnten die Forscher die dreidimensionalen Strukturen nachweisen. Außerdem vermaßen sie die Würfel unter dem Elektronenmikroskop und bestimmten so die Form der Ecken. Die durch die Experimente gewonnenen Ergebnisse liefern einen Beitrag zum besseren Verständnis des Aufbaus so genannter Meso-Kristalle, womit dreidimensional geordnete Strukturen aus Nanoteilchen, die durch Selbstorganisation entstehen, bezeichnet werden. Durch eine gezielte Auswahl der richtigen Teilchenform könnten sich zukünftig Materialien maßzuschneidern und somit deren Eigenschaften beeinflussen lassen.

Forschungszentrum Jülich / MH

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