Krumme Kristalle

Bestimmte Kristalle sind nützlich für die Energieerzeugung und zahlreiche Alltags­anwendungen. Die mechanischen Eigenschaften solcher Nano­strukturen sind dabei häufig wichtig. Sind die Atome der Kristalle speziell angeordnet, ermöglichen sie die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische. Kristalle kommen in der Natur niemals vollständig rein vor und weisen Kristall­defekte auf. Der Einfluss atomarer Kristall­baufehler auf die mechanischen Eigenschaften dieser piezo­elektrischen Materialien war bisher wenig untersucht. Nun hat dies ein internationales Forscherteam mit Beteiligung der Universität Göttingen, des Indian Institute of Science, Bangalore, der Pennsylvania State University in Philadelphia sowie der Wright State University in Dayton erforscht.

Ein möglicher Kristalldefekt ist der sogenannte Stapel­fehler, der eine lokale Störung der Stapelfolge einiger Kristall­ebenen darstellt. Wie Forscher bereits gezeigt haben, können Defekte – insbesondere auch Stapelfehler – die mechanische Spannungs­verteilung in Kristallen signifikant verändern. „Die Erzeugung von Energie ist eine der großen Heraus­forderungen unserer Zeit, so dass die Möglichkeit der Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie einen alternativen und effizienten Ansatz darstellt“, erläutert Moumita Ghosh von der Universität Göttingen und ehemalige Doktorandin des Indischen Instituts der Wissenschaften.

„Es gibt einige kristalline Keramiken, die diese Energie­wandlung ermöglichen. Allerdings können zum Beispiel ihre Nanostrukturen kollabieren, sodass ihre mechanischen Eigenschaften anders sind als erwartet. Wenn wir diese Beobachtungen berücksichtigen, können wir energie­umwandelnde Bau­elemente aus diesen winzigen Strukturen entwickeln“, so Ghosh.

Die neuen Beobachtungen belegen nicht-intuitive Auswirkungen der Defekte auf die mechanischen Eigenschaften in niedrig­dimensionalen Strukturen. „Das sogenannte ,Defect engineering‘ piezo­elektrischer Nano­materialien wird es zukünftig ermöglichen, qualitativ hochwertige Bau­elemente für kosten­effektive Energie­umwandlung auf der Basis mechanischer Schwingungen zu realisieren“, sagt Ghosh. Ferner werden elektro­mechanische Bauelemente für die bio­medizinische Forschung und Diagnostik sowie elektronische Anwendungen möglich.

U. Göttingen / DE