Nanoporen nach Maß: Wiener Team formt "weißes Graphen" auf atomarer Ebene
Physik und Chemie eröffnen mit Nanoporen-Engineering eine Vielzahl von Anwendungen
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Ein Forschungsteam der Universität Wien um den Physiker Jani Kotakoski zeigt, wie sich die Form von Nanoporen in hexagonalem Bornitrid – dem elektrisch isolierenden Pendant zu Graphen, auch "weißes Graphen" genannt - gezielt auf atomarer Ebene steuern lässt. Durch Elektronenbestrahlung entstehen im Ultrahochvakuum kreisförmige Poren, während die Zugabe kleiner Mengen Sauerstoff zu dreieckigen Poren führt. Das im Journal Nature Communications vorgestellte Nanoporen-Engineering erschließt damit neue Anwendungen in Filtration, DNA-Sequenzierung, Katalyse und Quantentechnologien.
Zweidimensionales Hexagonales Bornitrid (hBN) ist ein isolierendes Material, das aus einer einzigen Atomschicht besteht. Es bildet eine stabile Barriere, die auch dazu genutzt werden kann, andere zweidimensionale Materialien wie Graphen vor ihrer Umgebung zu schützen. Durch die Erzeugung von Poren mit einem Durchmesser von nur wenigen Atomen wird diese Barriere durchlässig, wodurch eine nanoporöse Membran entsteht, durch die Moleküle oder Ionen hindurchtreten können. Solche Membranen könnten zum Filtern von Substanzen oder zur Analyse von DNA verwendet werden, während diese eine Nanopore durchquert. In diesem Maßstab beeinflussen die genaue Form der Pore und die Atome an ihren Rändern, wie sie mit den durchquerenden Molekülen interagiert. Gleichzeitig weisen die Poren aufgrund ihrer geringen Größe quantenmechanische Eigenschaften auf, die sie für Katalyse und Quantenanwendungen nützlich machen.
Elektronen können atomare Strukturen abbilden und verändern
Eine Möglichkeit, solch winzige Poren zu erzeugen, ist der Einsatz des Elektronenstrahls eines Transmissionselektronenmikroskops: Dieselben Elektronen, mit denen zweidimensionale Materialien auf einzelne Atome genau abgebildet werden, können auch Atome aus dem Material herausschlagen. Bei fortgesetzter Bestrahlung wachsen diese Defekte zu Nanoporen heran. Seit fast zwei Jahrzehnten ist bekannt, dass die Elektronenbestrahlung von hBN dreieckige Poren erzeugt. Ihre Form wurde allgemein darauf zurückgeführt, dass Bor- und Stickstoffatome unterschiedlich leicht verdrängt werden können. "Wir zeigen zum ersten Mal, dass die Form der Poren nicht allein auf die Elektronen zurückzuführen ist, sondern von der Atmosphäre um die Probe herum beeinflusst wird", sagt Umair Javed, Erstautor der Studie und Doktorand in der Kotakoski- Gruppe an der Fakultät für Physik der Universität Wien.
Wechselspiel zwischen Physik und Chemie
Elektronenmikroskope arbeiten unter Vakuum, doch dieses enthält normalerweise immer noch Restgasmoleküle. Das Wiener Team nutzte ein Mikroskop mit einem außergewöhnlich guten Vakuum und der Möglichkeit, ausgewählte Gase in die Probenumgebung einzuleiten. So konnten sie untersuchen, was passiert, wenn der Elektronenstrahl fast allein auf hBN einwirkt – und was sich ändert, wenn Gase hinzugefügt werden. Im Ultrahochvakuum entfernte der Elektronenstrahl Bor- und Stickstoffatome in etwa gleichem Maße, wodurch sich kreisförmige Poren bildeten. Das Hinzufügen von Stickstoff hatte kaum Auswirkungen. War jedoch auch nur eine geringe Menge Sauerstoff vorhanden, wurden Boratome viel leichter entfernt, und es entstanden dreieckige Poren mit Stickstoff an den Kanten. Sauerstoff allein reichte nicht aus: Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Elektronenstrahl molekularen Sauerstoff in reaktive Spezies aufspaltet, die das Material chemisch angreifen können. Die Porenform ergibt sich daher aus einem Wechselspiel zwischen Physik und Chemie: "Bohren" mit energiereichen Elektronen begünstigt kreisförmige Poren, während das durch Sauerstoff vermittelte chemische Ätzen dreieckige Poren begünstigt. Durch die Anpassung der Atmosphäre während der Elektronenbestrahlung können die Forschenden steuern, welche Porenform entsteht.
Auf dem Weg zu noch mehr Kontrolle
"Das ist extrem spannend", sagt der leitende Autor Jani Kotakoski. "Wir erwarten, dass wir auf ähnliche Weise Wege finden werden, die Porenformen in anderen Materialien zu steuern, und vielleicht auch unterschiedliche Formen in hexagonalem Bornitrid erzeugen können." Eine solche Steuerung könnte helfen, atomgenaue Strukturen für Anwendungen zu entwickeln, die von der Wasserfiltration über die Katalyse bis hin zu Quantentechnologien reichen. Die Forschung ist Teil des Exzellenzclusters "Materials for Energy Conversion and Storage" des Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF), in dem Kotakoskis Gruppe darauf abzielt, mit dieser Methode neue katalytisch aktive Strukturen zu schaffen.
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