Clusterphysik
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Neue Materialien aus Clustern und Nanopartikeln

Aus kleinen Teilchen lassen sich neue Materialien aufbauen, die mit dem ursprünglichen Festkörper kaum noch eine Ähnlichkeit aufweisen. Das bekannteste Beispiel sind Schneeflocken (Bild unten). Das Material, das aus diesen Teilchen aufgebaut werden kann, hat eine große ökonomische Bedeutung: Schnee. Schneeflocken sind auch ein Beispiel dafür, dass die Eigenschaften der Materie von der Größe abhängen können. Nur im Millimeterbereich kristallisiert Eis in der charakteristischen Sternform. Die Eigenschaften des Schnees hängen von der Form und Größe der Flocken und der Packungsdichte ab.

Schneeflocke


Ein anderes Beispiel für ein Material, dass aus kleinen Teilchen aufgebaut ist, ist Opal. Er besteht aus mikrometergroßen Silikatkügelchen (Bild unten). Die Kügelchen sind rund 1000x kleiner als Schneeflocken. Sind die Kügelchen alle genau gleich groß und kristallin angeordnet, entstehen faszinierende Lichteffekte, die den Edelopal charakterisieren.

 

Opal


 

Cluster sind nochmals rund tausendmal kleiner als die Mikrokugeln des Opals. Das berühmteste Clustermaterial ist wohl das Fullerit, das aus C60-Clustern besteht. Die elektronenmikroskopische Aufnahme (Bild unten) sieht der des Opals ähnlich, nur sind die Kügelchen sehr viel kleiner. Fullerit ist eine weitere Erscheinungsform des reinen Kohlenstoffs neben Diamant und Graphit. Es ist leichter und es ist ein Halbleiter. Es gibt eine ganze Klasse von Clustermaterialien aus Kohlenstofffullerenen, da es die Hohlkugeln in vielen verschiedenen Größen gibt. C60 ist die stabilste Hohlkugel.

 

Fulllerit

 

Bisher sind nur sehr wenige Clustermaterialien bekannt. Dabei hätten solche Materialien, insbesondere aus Metallclustern, eine großen technische Bedeutung. Nanocluster der meisten Metalle wie Silber und Gold verschmelzen allerdings bei Raumtemperatur. Der Schmelzpunkt kleiner Teilchen liegt niedriger als der Schmelzpunkt des Festkörpers und viele Nanoteilchen aus Metallen wie Silber sind bei Raumtemperatur flüssig. Zwei flüssige Tropfen verschmelzen und daher ist ein Festkörper, der beispielsweise aus Ag55 Cluster aufgebaut ist, bei Raumtemperatur nicht stabil. Das Nanomaterial wandelt sich mit der Zeit in gewöhnliches Metall um. Es gibt mehrere Möglichkeiten, das spontane Verschmelzen zu verhindern. Eine Möglichkeit ist die Verwendung von Clustern aus hochschmelzenden Materialien wie beispielsweise Wolfram oder Molybdän. Selbst wenn der Schmelzpunkt der Nanocluster niedriger ist als der des Festkörpers, liegt er dann immer noch deutlich über Raumtemperatur und das Clustermaterial ist stabil. Das ist auch der Grund, weshalb es aus Kohlenstoff Clustermaterialien gibt: Graphit hat einen ungewöhnlich hohen Schmelz- und Siedepunkt. Die Tendenz zum spontanen Verschmelzen muss von der Größe der Teilchen abhängen, denn makroskopisch große Teilchen wie etwa zwei Kugeln aus Silber verschmelzen nicht bei Raumtemperatur. Nur bei sehr kleinen Teilchen mit Durchmessern von wenigen Nanometern ist der Schmelzpunkt merklich erniedrigt.

Die Möglichkeit, aus größenselektierten Nanoclustern neue Festkörper aufzubauen, soll systematisch für verschiedene Materialien und Clustergrößen untersucht werden. Die ersten Studien an Molybdänclustern verliefen ermutigend, denn die Bilder, die mit einem Rastertunnelmikroskop aufgenommen wurden, zeigen eine granulare Struktur (Bild unten, nähere Informationen siehe Veröffentlichung). Der Durchmesser der beobachteten kugelförmigen Objekte variiert mit dem Durchmesser der Cluster, aus denen die Schicht aufgebaut wurde. Tatsächlich verschmelzen also Molybdäncluster im Größenbereich oberhalb von rund 30 Atomen nicht.

 

Clustermaterialien

Eine erste Veröffentlichung:

X. Li, K. Wepasnick, X. Tang, D. H. Fairbrother, K. H. Bowen, A. Dollinger, C. H. Strobel, J. Huber, T. Mangler, Y. Luo, S. Proch, and G. Gantefoer, "A new nanomaterial synthesized from size-selected, ligand-free metal clusters", J. Appl. Phys. 155 (2014) in press.