Mechanische Verformung erzeugt Chiralität

Mechanische Verformung ist eines der am häufigsten eingesetzten Werkzeuge, um die Eigenschaften von Materialien gezielt anzupassen. In piezoelektrischen Materialien erzeugt das Dehnen oder Stauchen eines Kristalls eine elektrische Polarisation. In piezomagnetischen Materialien induzieren sie eine Magnetisierung. Forschende am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) und an der Universität Oxford haben nun entdeckt, dass diese mechanischen Verformungen in nicht-chiralen Kristallen Chiralität induzieren. Damit eröffnen sie einen neuen Ansatz, diese Eigenschaft gezielt zu kontrollieren und möglicherweise chirale elektronische Eigenschaften zu erzeugen.

Mechanische Stauchung oder Dehnung kann einen Festkörper auf atomarer Ebene so verformen, dass dabei eine chirale Struktur entsteht.

Quelle: Jörg Harms, Zhiyang Zeng, MPSD

In chiralen Kristallen führt die räumliche Anordnung der Atome zu einer bestimmten Händigkeit, wobei sich die Kristallstruktur entlang einer Ausbreitungsrichtung schraubenförmig verdreht. Dadurch kann sich beispielsweise ein elektrischer Strom, der sich in eine Richtung ausbreitet, einem anderen Widerstand gegenübersehen als ein Strom, der in die entgegengesetzte Richtung fließt. Dieser Effekt beeinflusst auch chemische Reaktionen und biologische Prozesse, die eine bestimmte Händigkeit bevorzugen. Vor diesem Hintergrund ist die Möglichkeit, Chiralität gezielt zu steuern und beispielsweise eine rechtsgängige Struktur in eine linksgängige umzuwandeln, von großem Interesse.

„Im Gegensatz zur elektrischen Polarisation oder zur Magnetisierung fehlte der Chiralität bislang jedoch eine allgemeine physikalische Stellgröße für ihre externe Kontrolle“, erklärt Zhiyang Zeng, Erstautor der Studie. Die Forschenden am MPSD konnten nun zeigen, dass mechanische Verformung genau eine solche Stellgröße darstellt. Anstatt ein chirales Material zu synthetisieren, untersuchten die Forschenden einen Kristall, der im unverformten Zustand nicht chiral ist. Durch das Anlegen einer mechanischen Dehnung oder Stauchung werden die Positionen der Atome im Kristall gerade so weit verändert, dass eine links- oder rechtsgängige Struktur entsteht.

Das Team konnte diesen Effekt durch das Auftreten optischer Aktivität nachweisen, einer charakteristischen Signatur der Chiralität, die nur während kontrollierter mechanischer Verformung beobachtet wurde. Bemerkenswert ist dabei, dass die Händigkeit des induzierten chiralen Zustands durch die Art der angelegten Verformung bestimmt ist. Zug- und Druckdehnung erzeugen entgegengesetzte Händigkeiten, während das Anlegen dieser Dehnungen entlang verschiedener Kristallrichtungen eine weitere Möglichkeit bietet, den resultierenden chiralen Zustand auszuwählen.

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„Da die Verformung reversibel ist, kann die induzierte Chiralität wiederholt erzeugt, entfernt und gezielt ausgewählt werden“, erläutert Michael Först, Koautor der Veröffentlichung.

Über den experimentellen Nachweis des Effekts hinaus entwickelte das Team einen theoretischen Rahmen, der aufzeigt, unter welchen Symmetriebedingungen von Kristallen der piezochirale Effekt auftreten kann. Auf dieser Grundlage erstellten die Forschenden eine frei zugängliche Datenbank potenzieller Materialien, die es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit ermöglicht, gezielt nach piezochiralen Kristallen zu suchen und diese zu erforschen.

Diese Arbeit etabliert eine neue Strategie zur gezielten Erzeugung von Chiralität. Anstatt durch Kristallwachstum oder chemische Synthese dauerhaft festgelegt zu sein, kann Chiralität nun in einem ursprünglich achiralen Material gezielt erzeugt, kontrolliert und ein- oder ausgeschaltet werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die mechanisch rekonfigurierbare Steuerung von Materialeigenschaften.

„Wir haben dieses Phänomen als piezochiralen Effekt bezeichnet“, sagt Andrea Cavalleri, der die Forschung in Hamburg (in Zusammenarbeit mit Paolo Radaelli von der Universität Oxford) leitete, „Er ermöglicht, Chiralität in Substraten für eine Vielzahl von Dünnfilmen oder in Volumenmaterialien zu induzieren. Dies könnte neue Strategien eröffnen, um beispielsweise neuartige Eigenschaften wie chirale Supraleitung zu erzeugen.“ [MPSD / dre]