09.02.2007 - Hahn-Meitner-Institut (HMI)

Nanomuster bringen Strom unter Kontrolle

Regelmäßige Muster aus Natriumatomen mit Strukturen im Nanometerbereich machen Natriumkobaltoxid zu einem perfekten Material für Laptop-Batterien, effiziente Kühlmittel oder Supraleiter - das berichten Wissenschaftler des Berliner Hahn-Meitner-Instituts, des CEA-Forschungszentrums in Saclay bei Paris und der Universität Liverpool in Nature. Dabei bestimmt die genaue Anordnung der Natriumatome die Eigenschaften des Materials. Gleichzeitig hängt das jeweilige Natriummuster sehr empfindlich von der Dichte an Natriumatomen ab, die man mit chemischen Methoden leicht verändern kann. So kann man aus einem anfangs metallischen Material einen Isolator und dann einen Supraleiter machen, indem man es in einer elektrochemischen Zelle unterbringt und die Spannung ändert.

Auf atomarem Niveau hat Natriumkobaltoxid (NaxCoO) eine Struktur, in der sich Schichten aus Kobaltoxid mit solchen aus Natriumatomen abwechseln. Die Natriumatome sind in regelmäßigen Mustern angeordnet und bestimmen dadurch die elektrischen Eigenschaften des Materials. Sind beispielsweise die Natriumatome weit voneinander entfernt, kann jedes Atom Elektronen einfangen und so den Stromfluss behindern - die Substanz wird zum Isolator. Sind die Atome dagegen in Reihen angeordnet, wirken sie wie Drähte, so dass der Strom entlang einer Richtung fließen kann. Professor Alan Tennant, vom Hahn-Meitner-Institut Berlin, von dem die Idee für die Arbeit stammt, erläutert: "Die Elektronen, die für den Stromfluss verantwortlich sind, verhalten sich wie Wellen. Sie wollen ihre Wellenlänge einer regelmäßigen äußeren Struktur anpassen. Weil die genaue Dichte der Natriumatome ihre geometrische Anordnung bestimmt, kann man die Elektronen mithilfe der chemischen Zusammensetzung beeinflussen. Wären die Natriumatome zufällig verteilt, würden kleine Änderungen der Zusammensetzung den Strom in der Substanz kaum verändern."

Natriumkobaltoxid könnte auch Grundlage effizienter thermoelektrischer Kühlsysteme sein, denn es erfüllt als eine von wenigen Substanzen die nötigen Bedingungen: sie leitet Wärme nur schlecht, ist aber ein guter elektrischer Leiter. Den Grund dafür kann man sich an der Struktur veranschaulichen: die Natriumatome sind in "Käfigen" gefangen. Sie können in diesen "Käfigen" hin und her schwingen und nehmen so einen großen Teil der Wärme auf, die sich durch die Substanz bewegt ohne gleichzeitig den elektrischen Strom in seinem Fluss zu stören.

Die Forscher haben für verschiedene Natriumkonzentrationen zahlreiche Natriummuster gefunden. Um zu verstehen, wie diese entstehen, kann man sich die Atome als Murmeln vorstellen. Die Sauerstoffatome sind in einem Bienenwabenmuster angeordnet, wobei die Natriumatome in den Vertiefungen liegen, die sich zwischen ihnen bilden. Weil die Natriumatome zu groß sind, können nicht zwei von ihnen in benachbarten Vertiefungen liegen, so dass bei maximaler Natriumkonzentration nur jede zweite Vertiefung besetzt ist. Dadurch entstehen zwei Arten von möglichen Natriumpositionen. Außerdem stoßen die Natriumatome einander ab, so dass diese versuchen, möglichst weit voneinander entfernt zu sein. Die tatsächliche Struktur spiegelt die beste Anordnung bei bestimmter Konzentration wider, die diesen Forderungen genügt.

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