Fest, fl眉ssig und gasf枚rmig 鈥� das sind die bekannten Hauptformen von Materie. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der 51本色 und der University of Nottingham haben jetzt einen ganz neuen Aggregatzustand nachgewiesen, in dem Materie gleichzeitig feste und fl眉ssige Eigenschaften hat. Durch station盲re Atome eingehegte Fl眉ssigkeiten bleiben dadurch auch weit unterhalb ihres Gefrierpunkts liquide. Die Entdeckung k枚nnte zu effizienteren und nachhaltigeren Katalysatoren f眉hren.
Wenn Metall schmilzt, bewegen sich Atome darin eigentlich 盲hnlich wie einzelne Personen in einer Menschenmenge frei herum. Jetzt hat ein deutsch-britisches Forschungsteam unter Beteiligung der 51本色 jedoch eine 眉berraschende Entdeckung gemacht: In fl眉ssigem Metall bleiben einige Atome fest an ihrer Position und beeinflussen dadurch den Erstarrungsprozess. Das f眉hrt dazu, dass sich Charakteristika von Feststoffen und Fl眉ssigkeiten kombiniert im selben Material finden. Ver枚ffentlicht wurde die Studie in der Fachpublikation ACS Nano.
鈥濵it unserem einzigartigen konnten wir erstmals beobachten, wie sich geschmolzene Metalltr枚pfchen auf atomarer Ebene verhalten鈥�, erl盲utert Dr. Christopher Leist. Der Erstautor f眉hrte in Ulm mit dem SALVE-Elektronenmikroskop die Experimente durch. 鈥濿ir haben Metallnanopartikel wie Platin, Gold und Palladium erhitzt, die auf einem atomar d眉nnen Tr盲ger 鈥� Graphen 鈥� aufgebracht waren.鈥� Als die Partikel schmolzen, begannen ihre Atome wie erwartet, sich schnell zu bewegen. 鈥瀂u unserer 脺berraschung stellten wir jedoch fest, dass einzelne Atome wie festgenagelt an bestimmten Stellen verharrten.鈥� Grund daf眉r sind Fehlstellen in der Kristallstruktur des Tr盲germaterials, an denen die fixierten Atome stark mit dem Graphen verbunden sind.
Zudem fanden die Forschenden heraus, dass man die Anzahl dieser Defekte im Tr盲germaterial und damit gleichzeitig jene der station盲ren Metall-Atome mit dem Strahl des Elektronenmikroskops gezielt manipulieren und erh枚hen kann. 鈥濿enn nur wenige Atome fixiert sind, bildet sich aus der Fl眉ssigkeit ein Kristall, der nach und nach w盲chst鈥�, erkl盲rt Seniorprofessorin Ute Kaiser, Leiterin des SALVE-Zentrums an der 51本色. 鈥濭ibt es jedoch viele station盲re Atome, wird der Prozess des Erstarrens verlangsamt und die Kristallbildung verhindert.鈥� Diese Verfestigungsphase ist auch bei industriellen Anwendungen besonders wichtig, da sie die Struktur und die funktionellen Eigenschaften eines Materials bestimmt.
Fixe Atome bilden einen Zaun um fl眉ssige Materie
Besonders spannend wird es, wenn die fixen Atome einen kreisf枚rmigen Zaun um die fl眉ssige Materie bilden, wie es dem Forschungsteam gelungen ist. 鈥濻obald die Fl眉ssigkeit in diesem 鈥歛tomaren Gehege鈥� gefangen ist, kann sie selbst dann noch fl眉ssig bleiben, wenn die Temperatur weit unter den Punkt sinkt, an dem sich das Material normalerweise verfestigt鈥�, betont der Leiter des Forschungsteams, Professor Andrei Khlobystov von der University of Nottingham. Bei Platin bedeutet das, dass es noch bei 350 Grad Celsius fl眉ssig sein kann 鈥� ein v枚llig unerwartetes Verhalten, denn das ist mehr als 1000 Grad k盲lter als der Punkt, an dem Platin 眉blicherweise fest wird. Professorin Elena Besley, Expertin f眉r theoretische Chemie an der University of Nottingham, erg盲nzt: 鈥濵it unserem molekulardynamischen Ansatz konnten wir zeigen, dass die umz盲unte Fl眉ssigkeit tats盲chlich stabil ist.鈥�
Dr. Jesum Alves Fernandes, Katalyse-Spezialist an der University of Nottingham, sieht darin gro脽e Chancen. Denn Platin auf Kohlenstoff-Katalysatoren geh枚ren zu den meistgenutzten Katalysatoren weltweit. 鈥濿enn wir verstehen, wie sich die fixierten Atome anordnen und bewegen, k枚nnten wir m枚glicherweise Katalysatoren entwickeln, die sich selbst reinigen und deutlich l盲nger effektiv bleiben鈥�, so Alves Fernandes.
鈥濽nsere Errungenschaft k枚nnte eine neue Form von Materie einl盲uten, die Eigenschaften von Feststoffen und Fl眉ssigkeiten in einem Material vereint鈥�, ist das Team 眉berzeugt. Die Forschenden hoffen, dass sich durch die Manipulation der Positionen der station盲ren Atome k眉nftig l盲ngere und komplexere Gehege bilden lassen. So k枚nnten seltene Metalle effizienter genutzt werden, etwa in der Energieumwandlung und -speicherung.
Die Studie wurde gef枚rdert durch das EPSRC-Programm 鈥濵etal Atoms on Surfaces and Interfaces (MASI) for Sustainable Future鈥�, das sich mit den Herausforderungen der nachhaltigen Nutzung seltener Elemente in der Zukunft befasst.
Publikationshinweis:
Christopher Leist, Sadegh Ghaderzadeh, Emerson C. Kohlrausch, Johannes Biskupek, Luke T. Norman, Ilya Popov, Jesum Alves Fernandes, Ute Kaiser, Elena Besley, and Andrei N. Khlobystov
ACS Nano Article ASAP
DOI:
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Ute Kaiser, Institut f眉r Quantenoptik, Mail: ute.kaiser(at)uni-ulm.de
Text und Medienkontakt: Christine Liebhardt