Tetris an der Grenzfläche

Ein zentrales Element bei so verschiedenen technologischen Frage­stellungen wie dem Korrosions­schutz, Batterie­materialien oder der Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse oder Brennstoff­zellen ist die Kontaktstelle zwischen leit­fähigen Elementen – dem Elektrolyt und der festen Elektrode, an der eine Spannung angelegt wird.

Trotz ihrer Bedeutung für eine Vielzahl von Schlüssel­technologien weiß man bisher kaum etwas über den atomaren Aufbau der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyten. Insbesondere die atomare Struktur der festen Elektrode hat entscheidenden Einfluss auf die chemischen Reaktionen, die an der Grenzfläche stattfinden. Wenn es gelingt, die Struktur der Oberfläche gezielt auf der Skala einzelner Atome zu modifizieren, würde sich ein völlig neuer Ansatz eröffnen, um die zentralen chemischen Reaktionen gezielt zu beeinflussen.

Wissenschaftler in der Abteilung Computer­gestütztes Material­design am Max-Planck-Institut für Eisen­forschung sind diesem Ziel ein großes Stück näher gekommen. Im Rahmen des Exzellenz­clusters RESOLV, einer gemeinsamen Forschungs­initiative von sieben Forschungs­instituten im Ruhrgebiet, wurde mit Hilfe hoch­genauer quanten­mechanischer Methoden und mit leistungs­fähigen Super­computern ein unerwartetes Phänomen gefunden. Bisherige Untersuchungen von metallischen Oberflächen zeigten immer wieder, dass sich die Struktur einer Oberfläche beim Kontakt mit einem flüssigen Elektrolyten kaum verändert.

Umso erstaunter waren die Wissenschaftler, als sie auf dem Computer eine Halbleiter­oberfläche in Kontakt mit dem Elektrolyten brachten. „Wir waren völlig überrascht, als sich Strukturen bildeten, die ohne den Kontakt mit Wasser instabil sind und auch nicht beobachtet werden“, berichtet Mira Todorova, Leiterin der Gruppe Elektro­chemie und Korrosion. Auch Jörg Neugebauer, Leiter der Abteilung, zeigt sich begeistert: „Mit unseren Simulations­methoden fanden wir nicht nur ein völlig neuartiges und unerwartetes Phänomen, wir konnten auch den zugrunde­liegenden Mechanismus identifizieren. Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten, Oberflächen mit atomarer Präzision zu gestalten und einzustellen.“

Die Untersuchungen liefern nicht nur neue Einblicke in Zukunfts­technologien, sondern bringen auch eine völlig neue Sichtweise auf eine in der Geologie intensiv diskutierte Frage: Die Ursache der erhöhten Rissbildung in Mineralien, wenn sie einer feuchten Umgebung ausgesetzt sind.

MPIE / DE