Abenteuer Nanotechnologie: Züchtung einer metallischen Schneeflocke aus Nanopartikeln
Wissenschaftler, die auf der Ebene von Atomen arbeiten, manipulieren Metalle und eröffnen damit Möglichkeiten zur Entwicklung neuer Materialien
Wissenschaftler in Neuseeland und Australien, die auf der Ebene von Atomen arbeiten, haben etwas Unerwartetes geschaffen: winzige metallische Schneeflocken. Warum ist das so wichtig? Weil das Zusammenwirken einzelner Atome in gewünschter Weise zu einer Revolution in Technik und Technologie durch Nanomaterialien führt (und das Erzeugen von Schneeflocken ist cool). Strukturen im Nanomaßstab (ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters) können bei der Herstellung von Elektronik helfen, Materialien fester und leichter machen oder bei der Umweltsanierung helfen, indem sie an Giftstoffe binden.
Nanoskalige Schneeflocke aus Gallium-Lösungsmittel
Waipapa Taumata Rau, University of Auckland
Um metallische Nanokristalle zu erzeugen, haben neuseeländische und australische Wissenschaftler mit Gallium experimentiert, einem weichen, silbrigen Metall, das in Halbleitern verwendet wird und sich ungewöhnlicherweise bei knapp über Raumtemperatur verflüssigt. Ihre Ergebnisse wurden soeben in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Professor Nicola Gaston und Dr. Steph Lambie, beide von Waipapa Taumata Rau, Universität Auckland, und Dr. Krista Steenbergen von Te Herenga Waka, Victoria University of Wellington, arbeiteten mit Kollegen in Australien unter der Leitung von Professor Kourosh Kalantar-Zadeh von der University of New South Wales zusammen.
Das australische Team arbeitete im Labor mit Nickel, Kupfer, Zink, Zinn, Platin, Wismut, Silber und Aluminium und züchtete Metallkristalle in einem flüssigen Lösungsmittel aus Gallium. Die Metalle wurden bei hohen Temperaturen in Gallium aufgelöst. Nach dem Abkühlen traten die Metallkristalle aus, während das Gallium flüssig blieb. Das neuseeländische Team, das zum MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology, einem nationalen Centre of Research Excellence, gehört, führte Simulationen der Molekulardynamik durch, um zu erklären, warum aus verschiedenen Metallen unterschiedlich geformte Kristalle entstehen. (Der Marsden Fund der Regierung unterstützte die Forschung.)
"Wir haben gelernt, dass die Struktur des flüssigen Galliums sehr wichtig ist", sagt Gaston. "Das ist neu, denn normalerweise denken wir, dass Flüssigkeiten keine Struktur haben oder nur zufällig strukturiert sind." Wechselwirkungen zwischen den atomaren Strukturen der verschiedenen Metalle und dem flüssigen Gallium lassen unterschiedlich geformte Kristalle entstehen, so die Wissenschaftler.
Zu den Kristallen gehörten Würfel, Stäbe, sechseckige Platten und die Zinkschneeflockenform. Die Schneeflockenform ist auf die sechsfach verzweigte Symmetrie von Zink zurückzuführen, bei der jedes Atom von sechs Nachbarn in gleichem Abstand umgeben ist. "Im Gegensatz zu Top-Down-Ansätzen zur Bildung von Nanostrukturen - durch Wegschneiden von Material - beruht dieser Bottom-Up-Ansatz auf der Selbstorganisation der Atome", sagt Gaston. "Das ist die Art und Weise, wie die Natur Nanopartikel herstellt, und sie ist sowohl weniger verschwenderisch als auch viel präziser als Top-Down-Methoden." Sie sagt, die Forschung habe einen neuen, unerforschten Weg für metallische Nanostrukturen eröffnet. "Es hat auch etwas sehr Cooles, eine metallische Schneeflocke zu erzeugen!"
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