Heiratsschwindel unter Oxiden

Sebastian Siol sucht nach neuen Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften, die bisher experimentell nicht zugänglich waren.

Dazu bringt er Partner zusammen, die eigentlich nicht zueinander passen:

Der eine Partner zwingt dem anderen einen Zustand auf, der ohne die Zwangsheirat nicht möglich wäre.

Siol achtet auch darauf, dass seine Kristall-Beziehungen im Alltag lange halten. Denn nur dann sind sie interessant für industrielle Anwendungen.

Unter einer Legierung versteht man üblicherweise eine Mischung aus mehreren Metallen. Aber auch andere Materialien lassen sich legieren.

In der Halbleiterindustrie werden etwa Oxid- und Nitrid-Legierungen seit langem erfolgreich eingesetzt, um Materialeigenschaften gezielt zu verändern. Meist sind die Eigenschaften der Ausgangsstoffe noch gut erkennbar.

Mischt man allerdings Verbindungen, deren Kristallstrukturen überhaupt nicht zusammenpassen, entstehen «Heterostruktur-Legierungen» – In diesen Legierungen ändert sich die Struktur abhängig vom Mischungsverhältnis der Komponenten.

Dies führt bisweilen zu überraschenden Eigenschaften, die sich deutlich von denen der Ausgangsstoffe unterscheiden. Genau solche Oxid-Legierungen interessieren den Empa-Forscher Sebastian Siol.

Er möchte sie nicht nur entdecken, sondern für den Alltag nutzbar machen. Bei der Suche nach dem gewünschten Material muss er mehrere Aspekte zugleich im Auge behalten wie zum Beispiel die Struktur, die elektronischen Eigenschaften – und die Langzeitstabilität.

Siol stieß im vergangenen Jahr zur Empa. Zuvor hatte er am «National Renewable Energy Research Laboratory» (NREL) in Golden, Colorado, geforscht und eine bemerkenswerte Veröffentlichung hinterlassen: Legierungen mit «negativem Druck».

Sebastian Siol zeigt die Probe einer solchen Oxidschicht auf Glas. Heterostruktur-Legierungen könnten sich für intelligente Fensterbeschichtungen eignen.

Sebastian Siol zeigt die Probe einer solchen Oxidschicht auf Glas. Heterostruktur-Legierungen könnten sich für intelligente Fensterbeschichtungen eignen.

Zusammen mit seinen Kollegen hatte er Manganselenid und Mangantellurid im Kalt-Dampf-Verfahren (Magnetronsputtering) vermischt.

Die Ausgangsstoffe hatten sich bei bestimmten Mischungsverhältnissen in einem für beide Komponenten «ungemütlichen» Kristallgitter vereinigt. Keiner der Partner konnte dem anderen seine Lieblings-Kristallstruktur aufzwingen, die er im reinen Zustand bevorzugt.

Der entstandene Kompromiß war eine neue Phase, die normalerweise nur bei «negativem Druck» entstehen würde – also dann, wenn das Material permanent unter Zug gesetzt wird. Solche Materialien sind unter normalen Bedingungen sehr schwer herzustellen.

Siol und seine Kolleginnen und Kollegen am NREL haben es geschafft, diese Schwierigkeit zu umgehen.

Das neue, nun zugängliche Material, zeigt viele nützliche Eigenschaften, es ist unter anderem piezoelektrisch. Man kann also damit Strom erzeugen, Detektoren herstellen – oder Halbleiterexperimente machen, die mit den Ausgangsstoffen nicht möglich wären.

Forschung an stabilen Systemen
An der Empa wird Siol seine Erfahrungen in der Herstellung von «unmöglichen» Oxid-Legierungen einbringen. Er möchte Oxidgemische mit veränderlicher Struktur entdecken und so weit stabilisieren, dass sie alltagstauglich werden.

Die Forschungsabteilung «Fügetechnologie und Korrosion» unter Leitung von Lars Jeurgens hat grosse Erfahrungen mit der praktischen Anwendung von stabilen Oxidschichten und Legierungen.

Im Fokus stehen zunächst Mischoxide aus Titan- und Wolframoxid, die zum Beispiel für die Beschichtung von Fenstern, für die Halbleitertechnik oder Sensorik interessant sein könnten. S

iols Kollegin Claudia Cancellieri erforscht bereits seit einigen Jahren die elektronischen Eigenschaften von Oxid-Grenzflächen und bringt ihre Erfahrungen in die gemeinsamen Forschungsprojekte ein.

«Die Materialkombination ist extrem spannend», so Siol. Titanoxide sind äußerst stabil, sie werden in Solarzellen, in Wandfarben und in Zahnpasta verwendet. Wolframoxide sind dagegen vergleichsweise instabil und werden für tönbare Fenster, Gassensoren oder als Katalysatoren in der Petrochemie eingesetzt. «In der Vergangenheit lag der Forschungsfokus oft ausschließlich auf der Optimierung der Materialeigenschaften», sagt Siol.

«Entscheidend ist allerdings auch, ob man das Material über mehrere Jahre lang in dem jeweiligen Anwendungsgebiet einsetzen kann.»

Das wäre zum Beispiel für Halbleiter-Schichtsysteme wie in elektrochromen Fenstern wichtig, die in aggressiven Umgebungen unter Einwirkung von Sonnenlicht und Temperaturschwankungen Jahrzehnte lang halten müssen.

Nach dieser Langzeitstabilität suchen die Empa-Forscher.
Zur Herstellung dieser Oxidphasen wenden Siol und seine Kollegen verschiedene industriell skalierbare Verfahren an. Zum einen die kontrollierte Oxidation dünner Metallschichten in einem Ofen oder in elektrolytischer Lösung.

Aber auch reaktives Sputtern kommt zum Einsatz, wobei die Metalle unmittelbar bei der Abscheidung oxidiert werden. «Unmögliche» Oxid-Legierungen, bisher ein Thema der Grundlagenforschung, werden damit langsam für Industrieanwendungen greifbar.

Neue Materialklasse: Hybrid-Aerogele mit Biopolymeren als Super-Isolatoren

Neue Materialklasse: Hybrid-Aerogele mit Biopolymeren als Super-Isolatoren. (Symbolbild)

Neue Materialklasse: Hybrid-Aerogele mit Biopolymeren als Super-Isolatoren. (Symbolbild)

Sie gelten als die besten Isolatoren überhaupt. Doch Aerogele auf Silikatbasis sind brüchig und neigen zur Staubbildung. Mit der Entwicklung eines Hybrid-Aerogels aus Biopolymeren haben Forscher der Empa und des MINES ParisTech diese Defizite nun behoben und dabei die herausragende thermische Isolationsfähigkeit des ultraleichten, porösen Feststoffes bewahrt.

In der Schweiz gelten rund 1,5 Millionen Gebäude als sanierungsbedürftig. Namentlich aufgrund der mangelhaften Isolation dieser Bauten verpufft so viel Energie, dass Experten mit einem Sparpotenzial von bis zu 70 Prozent des aktuellen Heizenergieverbrauchs rechnen. Eine bessere Isolation verkleinerte den ökologischen Fussabdruck der Eigentümer, und in volkswirtschaftlicher Hinsicht sänken die Kosten um mehrere Milliarden Schweizer Franken. Doch besonders bei historischen und denkmalgeschützten Bauwerken sind Renovationen nur innerhalb enger rechtlichen Vorgaben möglich.

Aerogele: hervorragende, unscheinbare, aber brüchige Dämmstoffe

Forscher der Empa haben vor etwa drei Jahren zusammen mit der Fixit AG einen Dämmputz ausgehend von Silikat-Aerogel-Granulat entwickelt. Dessen Wärmeleitfähigkeit beträgt nur rund 28 mWm-1K-1 (lies: Milliwatt pro Meter Kelvin), jener von reinem Silikat-Aerogel gar nur zwischen 12 bis 15 mWm-1K-1. Ein absoluter Spitzenwert. Dieser beruht auf der Struktur des Materials: Aerogele bestehen zu mehr als 95 Prozent aus luftgefüllten Poren, nur etwa fünf Prozent der Masse macht ein Netzwerk von Nanopartikeln aus. Die Luftmoleküle in den Poren können sich kaum frei bewegen. Daher werden thermische Verluste durch Wärmetransport der Gasmoleküle in den Poren auf ein Minimum verringert. Zudem sind Aerogele für das menschliche Auge mehr oder weniger transparent. Sie könnten folglich zur Isolierung von Altbauten verwendet werden, ohne den Denkmalschutz zu verletzen oder das Erscheinungsbild eines historischen Bauwerks zu beeinflussen. Doch die Verbreitung von Silikat-Aerogelen als Dämmstoff harzt. Zu teuer und zu fragil sei der Stoff, und er tendiere in der Anwendung zur Staubbildung, beklagen Fachleute.

Pektin aus Äpfeln verbessert die mechanischen Eigenschaften
In der Tat: Die Verbindungen zwischen den Silikat-Nanopartikeln sind äusserst feingliedrig, wie elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen. Daher wollten Empa-Forscher um Matthias Koebel zusammen mit Kollegen des MINES ParisTech die mechanischen Eigenschaften von Aerogelen verbessern. Dies jedoch auf einem bis anhin kaum beschrittenen Pfad: Die Forscher entwickelten ein Hybrid-Aerogel aus Silikat und dem Biopolymer Pektin (das etwa in Äpfeln vorkommt), mit dem sie eine neuartige Stoffklasse schufen und das markant verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist. Das Hybridaerogel kann um bis zu 80 Prozent komprimiert werden, ohne zu zerbrechen. Die Wissenschaftler führen dies auf die Morphologie des Pektin-Silikat-Netzwerks zurück. In diesem seien die Nanopartikel über robustere «Stege» miteinander verbunden als die Silikat-Teilchen in klassischen Aerogelen. Durch diesen Gewinn an Widerstandsfähigkeit wird auch die Staubentwicklung von Hybridaerogelen minimiert.

Das Entscheidende dabei: Je nach Pektingehalt beträgt die thermische Leitfähigkeit zwischen 14 und 17 mWm-1K-1, also nur wenig mehr als die Wärmeleitfähigkeit von klassischen Silikat-Aerogelen. Mit ihrer Innovation erschlagen die Forscher gleich drei Fliegen mit einer Klappe: Das Hybrid-Aerogel ist mechanisch robust, isoliert hervorragend und wird aus biologischen respektive mineralischen Rohstoffen hergestellt. Ausserdem entwickelte das Team auch noch ein ökologisches Herstellungsverfahren für Hybrid-Aerogele aus einer wässrigen Lösung. Damit liessen sich beliebige Mengen Hybrid-Aerogel herstellen und industriell nutzen, stellten die Forscher in einem vor kurzem erschienenen Artikel in der Fachzeitschrift «Angewandte Chemie» in Aussicht (http://dx.doi.org/10.1002/ange.201507328).