Atomares Design mit Wasser
Wie sich mit Wasser geometrische Strukturen auf Oberflächen mit atomarer Präzision bilden lassen
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.
Wasser gestaltet die im Vakuum glatte Oberfläche. Durch die Einwirkung bilden sich geometrische Strukturen, links. Graue Kugeln repräsentieren Zink-, rote Sauerstoff- und blaue Wasserstoffatome.
Suhyun Yoo, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
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 Dr. Mira Todorova, Leiterin der Gruppe Elektrochemie und Korrosion. Auch Prof. 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.
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