Sie ist nur eine Doppelmolek眉llage dick, und k枚nnte d眉nner nicht sein: die Glasschicht, die Wissenschaftler der 51本色 und der Cornell University zuf盲llig entdeckt haben. Mit einem Eintrag ins Guinness Book 2014 wird diese Entdeckung nun als Weltrekord gew眉rdigt.
"Obwohl Glas ja eigentlich transparent ist, kann man unter dem Elektronenmikroskop die einzelnen Silizium- und Sauerstoff-Atome sichtbar machen", erkl盲rt Ute Kaiser. Die Professorin f眉r Experimentelle Physik leitet die Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie an der 51本色. Sie ist noch immer fasziniert von dieser ganz besonderen, mehr als einj盲hrigen Entdeckungsreise: "Schritt f眉r Schritt haben wir durch unsere Experimente und 脺berlegungen der Schichtnatur ihr Geheimnis abgerungen, das war unglaublich spannend. Ein richtiger Wissenschafts-Krimi."
Simon Kurasch, damals noch Doktorand bei Ute Kaiser an der 51本色, untersuchte gerade am h枚chstaufl枚senden Transmissionselektronenmikroskop die Atomstruktur einer Graphen-Probe. Das ist eine einlagige Schicht nur aus Kohlenstoffatomen, dessen sechseckige Atomstruktur an eine Bienenwabe erinnert und f眉r dessen Entdeckung 2010 der Nobelpreis vergeben wurde. Eigentlich war dies f眉r den Physiker eine Routineuntersuchung. Doch bei genauerem Hinsehen entdeckt der Nachwuchsforscher eine bisher nie gesehene und v枚llig unerwartete Struktur: "Sie ist teilweise wunderbar geordnet, andererseits v枚llig chaotisch", beschreibt Kurasch diesen Zufallsfund. Auf dem Graphen hatte sich eine 盲u脽erst d眉nne Schicht aus einem unbekannten Stoff gebildet. R眉ckfragen beim Max-Planck-Institut f眉r Festk枚rperforschung in Stuttgart, die das Graphen auf Kupferfolie in einem mit Quarzglas ausgekleideten Schmelzofen nach einem Standardverfahren hergestellt hatten, wecken ungl盲ubiges Staunen. Das dortige Forscherteam um den Festk枚rper-Nanophysiker Dr. Jurgen Smet kann sich zun盲chst keinen Reim auf diesen Fund machen.
Die Ergebnisse deuten auf eine Silizium-Oxid-Verbindung hin
Die Ulmer Physikerin wendet sich an ihren langj盲hrigen Wissenschaftsfreund und Physik-Professor David Muller, Leiter des Kavli Institute for Nanoscale an der Cornell 51本色 (NY). M枚glicherweise k枚nnten die Kollegen aus dem Staat New York h枚chstaufl枚sende abbildende und spektroskopische Daten beisteuern und damit Licht in die chemische Beschaffenheit bringen. Muller willigt ein. Ein vierk枚pfiges deutsch-amerikanisches Forscherteam wurde eingerichtet, bestehend aus den beiden Ulmer Wissenschaftlern sowie Muller und seiner Doktorandin Pinshane Huang, das nun einige Zeit gemeinsam an der Cornell University forschte. Bald schon deutete Muller die Ergebnisse als Silizium-Sauerstoff-Verbindung. Mit Hochdruck suchte man nach weiteren Indizien zur Kl盲rung der genauen chemischen Zusammensetzung des mysteri枚sen Materials. Es zeigte sich: die ultrad眉nne Schicht bestand aus Siliziumdioxid, also Glas. Dieses amorphe Material gibt mit seiner besonderen atomaren Struktur der Wissenschaft noch immer gro脽e R盲tsel auf. So galt es f眉r die internationale Physiker-Gruppe zu kl盲ren, in welcher molek眉l眉bergreifenden Konfiguration die Glasschicht vorlag.
Ute Kaiser suchte daher den Rat ihrer finnischen Fachkollegen. Dr. Arkady Krasheninnikov von der Alto 51本色 Helsinki, ein ausgewiesener Experte f眉r die Berechnung der Stabilit盲t von Atombindungen, konnte mit seinen Kollegen schlie脽lich zeigen, dass das Siliziumdioxid in zwei Schichten, also einer so genannten Doppellage, die stabilst-m枚gliche Konfiguration eingeht. "So stellte sich aus der Gesamtheit der analytischen und theoretischen Daten, dass wir die denkbar d眉nnste Glasschicht gefunden hatten, die damit faktisch zweidimensional war", so das Team. Zum ersten Mal konnten Wissenschaftler somit genaue Einblicke in die atomare Struktur dieses besonderen Materials gewinnen.
Glas hat in seiner Atomstruktur auch Eigenschaften von Fl眉ssigkeiten
Glas ist ein so genanntes amorphes Material, das zwar die physikalischen Eigenschaften eines Feststoffs hat, in seiner Atomstruktur aber sowohl Eigenschaften von Fl眉ssigkeiten als auch von Feststoffen aufweist. "Betrachtet man die elektronenmikroskopischen Aufnahmen, sieht man eine Lage unregelm盲脽iger und unterschiedlicher Polygone. Das sieht aus, wie ein Flickenteppich meist aus F眉nf-, Sechs-, Sieben- und Achtecken", erl盲utert die Ulmer Elektronenmikroskopie-Expertin Ute Kaiser. "Mit unseren Ergebnissen konnten wir erstaunlicherweise eine Theorie best盲tigen, die bereits 1932 vom W.H. Zachariasen formuliert wurde". Mit der so genannten Netzwerkhypothese des norwegisch-amerikanischen Physikers zur atomaren Struktur des Glases wurde - grob formuliert - die Annahme aufgestellt, dass Glas in seiner atomaren Grundstruktur - bestehend aus SiO4-Tetraedern - kristall盲hnlich ist, nur dass diese Tetraeder sehr viel zuf盲lliger miteinander verbunden sind als beim sehr regelm盲脽ig organisierten Kristall, sodass die Anordnung sehr viel unregelm盲脽iger erscheint.
F眉r das internationale Forscherteam hatte dieser wissenschaftliche "Kriminalfall", dessen Ergebnisse bereits 2012 in ver枚ffentlicht wurden, gleich ein doppeltes Happy-End. So gelang es nicht nur, das denkbar d眉nnste Glas zu identifizieren, sondern auch ein bisher ungel枚stes materialwissenschaftliches R盲tsel zu l枚sen. Schlie脽lich geh枚rt die Frage nach der Atomstruktur des Glases nicht nur zu den gro脽en Fragen der anorganischen Chemie sondern auch zu den gr枚脽ten analytischen Problemen der Physik. Mit dem Eintrag ins Guinness-Buch erf盲hrt diese Entdeckung nun eine besondere W眉rdigung.
P. Y. Huang, S. Kurasch, A. Srivastava, V. Skakalova, J. Kotakoski, A. V. Krasheninnikov, R. Hovden, Q. Mao, J. C. Meyer, J. Smet, D. A. Muller, and U. Kaiser: Direct Imaging of a Two-Dimensional Silica Glass on Graphene Nano Lett. 12(2), 1081-1086 (2012); doi: 10.1021/nl204423x
Verantwortlich: Andrea Weber-Tuckermann