28.06.2022 - Tokyo Metropolitan University

Mysteriöser Mechanismus hinter dem "Whisker-Kristall"-Wachstum entschlüsselt

Hauchdünne Nanofilamente lassen Blasen wachsen

Wissenschaftler der Tokyo Metropolitan University haben den Mechanismus hinter dem schnellen Wachstum von ultradünnen Nanodrähten oder "Whiskern" in organischen Verbindungen entdeckt. Nanodrähte sind sowohl eine wünschenswerte technologische Innovation als auch eine Gefahr, wenn sie die Elektronik verkürzen: Zu verstehen, wie sie wachsen, ist für Anwendungen entscheidend. Interessanterweise wurde festgestellt, dass die Fäden aus großen kristallinen Fronten wachsen, indem sie Gasblasen folgen. Wichtig ist, dass Spuren von Verunreinigungen die Blasenbildung und das Whisker-Wachstum unterdrücken können, was eine Kontrolle der Kristallstruktur ermöglicht.

Nanodrähte sind ultradünne Fäden aus kristallinem Material, die spannende neue Anwendungen in der Elektronik, Katalyse und Energieerzeugung versprechen. Sie können auch spontan wachsen, wo sie nicht erwünscht sind, und so isolierende Barrieren überbrücken und elektronische Schaltkreise kurzschließen. Es ist ein wichtiges technologisches Problem, ihr Wachstum in den Griff zu bekommen, aber der genaue Mechanismus ist noch unbekannt.

Ein Team, bestehend aus Professor Rei Kurita, Assistenzprofessorin Marie Tani und Takumi Yashima von der Tokyo Metropolitan University, hat das Kristallwachstum von o-Terphenyl und Salol untersucht, beides typische organische Verbindungen, die "Whisker-Kristalle" aufweisen, d. h. das rasche Wachstum dünner Fäden aus den Fronten des kristallinen Materials beim Abkühlen. Bei genauer Betrachtung entdeckten sie, dass jedes Filament an seiner Spitze eine winzige Blase aufwies. Es gelang ihnen nachzuweisen, dass es sich bei dieser Blase nicht um eine Verunreinigung oder ein Luftgemisch handelte, sondern um eine winzige Gaskapsel der gleichen organischen Verbindung. Anstatt dass sich die Moleküle in der Flüssigkeit einfach an der Wachstumsfront ablagern, wie es beim normalen Kristallwachstum der Fall ist, wurden sie auf das Gas im Inneren der Blase übertragen, bevor sie sich an der Spitze des Filaments festsetzten - ein völlig anderes Bild als das Standardbild des Gefrierens in Flüssigkeiten. Dies führte zu einem beispiellos schnellen Wachstum, das auch in dünnen Glaskapillaren für ein kontrollierteres Wachstum von Nanodrähten reproduziert werden könnte.

Was die Blasenbildung selbst betrifft, so stellte das Team fest, dass der große Dichteunterschied zwischen Kristall und Flüssigkeit in diesen Verbindungen eine Rolle spielt. Bei der Wiederholung der Experimente mit anderen Flüssigkeiten, bei denen der Unterschied nicht so groß war, stellten sie kein Whiskerwachstum fest. Sie schlussfolgerten, dass die kristalline Front zu großen Dichteinhomogenitäten neigt, was letztlich zu Kavitation führt, der spontanen Bildung von Gasblasen, aus denen sich Whisker entwickeln.

Nachdem das Team herausgefunden hatte, was das Filamentwachstum auslöst, versuchte es, das Phänomen zu kontrollieren, indem es die Blasenbildung unterdrückte. Sie fügten dem Material eine kleine Menge an Verunreinigungen hinzu, um die Kavitation zu unterdrücken. Tatsächlich verschwanden mit dem Verschwinden der Blasen auch die Whisker, was ein langsameres, aber whiskerfreies Wachstum von großen Brocken aus einheitlichem kristallinem Material ermöglichte.

Dank der beispiellosen Abstimmbarkeit und des Verständnisses der dem Prozess zugrunde liegenden Physik verspricht die Arbeit des Teams neue Ansätze für die Züchtung von Nanofilamenten für technologische Anwendungen sowie verschiedene Strategien zum Schutz von Elektronik und Batterien vor potenziell gefährlichen Kurzschlüssen, die durch Whiskerkristalle ausgelöst werden.

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