Hochleistungskeramik: Endstation Chaos

Kristalle gelten als das Gegenteil von Unordnung: In einer Kristall­struktur sind alle Gitter­bau­steine sauber und auf kleinst­möglichem Volumen neben­ein­ander sortiert. Umso bizarrer wirkt die Idee, man könne Kristalle durch die Kraft der Entropie stabi­li­sieren und so eine neue Material­klasse erschaffen. Doch genau das versuchen Forscher an der Eidge­nössische Material­prüfungs- und Forschungs­anstalt Empa.

Entropie­stabilisierte Materialien sind ein noch junges Forschungs­gebiet. Den Anfang machten 2004 Hochentropie-Legierungen, Gemische von fünf oder mehr Elementen, die sich unter­ein­ander vermengen lassen. Wenn die Mischung gelingt und alle Elemente homogen in der Legierung verteilt sind, zeigen sich bisweilen besondere Eigen­schaften, die nicht von den einzelnen Zutaten herrühren, sondern von deren Mixtur. Die Wissen­schaftler nennen das den „Cocktail-Effekte“.

Seit 2015 ist bekannt, dass sich auch keramische Kristalle durch die Entropie stabi­li­sieren lassen. Die Auswahl der Kristall­bausteine nimmt dadurch noch zu: Es passen auch zu große und zu kleine Bausteine in den Kristall, die ihn im Normalfall zerstören würden. Auf diese Weise gelang es dem Empa-Team bereits, neun verschiedene Atome in einen Kristall einsetzen. Der Vorteil: Selbst, wenn solche Kristalle hohen Temperaturen ausgesetzt sind, bleiben sie stabil – denn eine Umsortierung würde zu größerer Ordnung führen. Das natürliche Streben nach maximaler Unordnung stabilisiert also die ungewöhnliche Kristall­struktur – und damit das gesamte Material – auch unter Extrem­bedingungen.

„Bei bis zu vier Komponenten im Kristall ist alles noch normal, ab fünf Komponenten ändert sich die Welt“, erläutert Empa-Forscher Michael Stuer. „Diese Material­klasse eröffnet uns eine Vielzahl neuer Chancen. Wir können mit Hilfe der Entropie zum Beispiel Kristalle stabilisieren, die sonst aufgrund innerer Spannungen zerfallen würden. Und wir können hochaktive Kristall­ober­flächen schaffen, die es vorher noch nie gab, und nach interes­santen Cocktail-Effekten suchen.“

Gemeinsam mit seiner Kollegin Amy Knorpp macht sich Stuer nun auf den Weg ins Unbekannte. Die beiden sind Spezialisten für die Herstellung von feinem Kristall­pulver, und sie haben an der Empa Experten für Röntgen- und Ober­flächen­analytik, um die hergestellten Proben genauestens zu charakte­ri­sieren. Stuer und Knorpp konzentrieren sich auf katalytisch aktive Materialien. Bei der chemischen Reaktion, für die sie sich interessieren, geht es um die Verbindung von CO₂ und Wasserstoff zu Methan. Aus einem Treibhausgas soll also ein nachhaltiger, speicherbarer Brennstoff werden. „Wir wissen, dass CO₂-Moleküle auf bestimmten Oberflächen besonders gut adsorbiert werden und die gewünschte Reaktion dann leichter und schneller abläuft“, sagt Knorpp. „Nun versuchen wir entropische Kristalle herzu­stellen, an deren Oberflächen solche hochaktiven Bereiche existieren.“

Um rascher voranzukommen haben die Forscher mit Hilfe der Empa-Werkstatt ein spezielles Synthesegerät gebaut, in dem vielerlei chemische Mixturen wie am Fließband nachein­ander getestet werden können. Im „Tubular Flow Reactor“ laufen kleine Bläschen durch einen Schlauch, in denen die jeweilige Reaktion abläuft. Am Ende werden die Bläschen entleert, und das darin enthaltene Pulver kann weiter­ver­arbeitet werden.

„Der Tubular Flow Reactor hat einen riesigen Vorteil für uns: Alle Bläschen sind gleich groß, darum haben wir für unsere Synthesen immer ideale und gleich­bleibende Rand­bedingungen“, erläutert Stuer. „Falls wir von einer besonders viel­ver­sprechenden Mischung größere Mengen brauchen, produzieren wir einfach mehrere Bläschen mit der gleichen Mixtur nacheinander.“

Für ihr erstes großes Projekt haben sich die Empa-Forscher mit Kollegen vom Paul-Scherrer-Institut zusammen­getan. Diese untersuchen in einem Versuchs­reaktor die mögliche Methani­sierung von CO₂. Die PSI-Forscher haben bereits Erfahrungen mit verschiedenen Katalysatoren gesammelt und stoßen immer wieder auf ein Problem: Der Katalysator, an dessen Oberfläche die chemische Reaktion stattfindet, wird mit der Zeit schwächer. Das liegt daran, dass Schwefel-Anteile im Biogas die Oberfläche verschmutzen oder dass sich bei hohen Temperaturen die Katalysator-Oberflächen chemisch umwandeln.

Hier suchen die Forscher nach einem Durchbruch mit Hilfe von entropischen Kristallen. Denn diese sortieren sich auch bei hohen Temperaturen nicht um – sie werden ja durch Chaos stabilisiert. „Wir hegen die Hoffnung, dass unsere neuartigen, entropischen Kristalle bei dem Prozess länger durchhalten und möglicher­weise gegen Schwefel-Verschmutzungen unempfind­licher sind“, sagt Stuer.

Ist gemeinsam mit den PSI-Forschern erst einmal ein Weg gefunden, um diese Probleme zu lösen, dann sind die Empa-Kristall­spezialisten parat für weitere Heraus­forderungen: etwa Hoch­leistungs­batterien, supra­leitende Keramik oder Katalysatoren für Auto-Abgase und andere chemische Produktions­prozesse. „Es ist ein dunkler Wald, in den wir da hinein­laufen“, sagt Knorpp. „Aber wir haben eine Vermutung, in welcher Richtung etwas zu finden ist. Nun zeichnen wir eine Landkarte dieser Systeme. Irgendwo da draußen, so denken wir, ist eine Schatztruhe voller Erkenntnisse verborgen.“

Empa / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. J. Knorpp et al.: From Synthesis to Microstructure: Engineering the High-entropy Ceramic Materials of the Future, Chimia 2022, 76 (2022); DOI: 10.2533/chimia.2022.212
• Nanopowders and ceramics (M. Stuer), Functional Materials, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, Dübendorf, Schweiz