Kristalle für die Energieumwandlung
Forscher beobachten Einfluss von Defekten auf mechanische Eigenschaften von Nanostrukturen
Bestimmte Kristalle sind nützlich für die Energieerzeugung und zahlreiche Alltagsanwendungen. Deshalb ist es wichtig, die mechanischen Eigenschaften solcher Nanostrukturen zu erfassen. Sind die Atome der Kristalle speziell angeordnet, ermöglichen sie die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische. Kristalle kommen in der Natur niemals vollständig rein vor und weisen Kristalldefekte auf. Der Einfluss atomarer Kristallbaufehler auf die mechanischen Eigenschaften dieser so genannten piezoelektrischen Materialien war bisher wenig untersucht. Nun hat dies ein internationales Forscherteam mit Beteiligung der Universität Göttingen, des Indian Institute of Science, Bangalore, der Pennsylvania State University in Philadelphia sowie der Wright State University in Dayton erforscht.
Zu sehen ist die Morphologie von Zinkoxid-Nanostäbchen in einem Maßstab von 200 Nanometern. Die schematische Darstellung zeigt das mechanische Verhalten von Zinkoxid-Nanostäben, wenn sie mit einer nanometergroßen Spitze komprimiert werden.
Georg-August-Universität Göttingen
Die atomaren Anordnungen von Zinkoxid-Nanostäben unter einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop. Zink ist grün und Sauerstoff blau dargestellt. Die roten Linien zeigen den Defekt in der Periodizität der Atomanordnungen. Die gerade Linie stellt die defekte Region dar, in der die ursprüngliche Zick-Zack-Periodizität verlorengegangen ist und die eine bedeutende Rolle in der Studie darstellt.
Georg-August-Universität Göttingen
Ein möglicher Kristalldefekt ist der sogenannte Stapelfehler, der eine lokale Störung der Stapelfolge einiger Kristallebenen darstellt. Wie Forscher bereits gezeigt haben, können Defekte – insbesondere auch Stapelfehler – die mechanische Spannungsverteilung in Kristallen signifikant verändern. „Die Erzeugung von Energie ist eine der großen Herausforderungen unserer Zeit, so dass die Möglichkeit der Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie einen alternativen und effizienten Ansatz darstellt“, erläutert Dr. Moumita Ghosh, Erstautorin der Studie, von der Universität Göttingen und ehemalige Doktorandin des Indischen Instituts der Wissenschaften. „Es gibt einige kristalline Keramiken, die diese Energiewandlung ermöglichen. Allerdings können zum Beispiel ihre Nanostrukturen kollabieren, sodass ihre mechanischen Eigenschaften anders sind als erwartet. Wenn wir diese Beobachtungen berücksichtigen, können wir energieumwandelnde Bauelemente aus diesen winzigen Strukturen entwickeln“, so Dr. Ghosh.
Die neuen Beobachtungen belegen nicht-intuitive Auswirkungen der Defekte auf die mechanischen Eigenschaften in niedrigdimensionalen Strukturen. „Das sogenannte ,Defect engineering‘ piezoelektrischer Nanomaterialien wird es zukünftig ermöglichen, qualitativ hochwertige Bauelemente für kosteneffektive Energieumwandlung auf der Basis mechanischer Schwingungen zu realisieren“, sagt Dr. Ghosh. Ferner werden elektromechanische Bauelemente für die biomedizinische Forschung und Diagnostik sowie elektronische Anwendungen möglich.
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