Mechanisches Aufprägen von Atomen auf Keramik

Die Ergebnisse werden veröffentlicht inWissenschaft“, das berühmte Magazin.

Der Weltmarkt für Elektrokeramik beträgt jährlich 25 Milliarden Euro. Diese winzigen Bauteile sieht man im Alltag oft nicht. Allein ein Smartphone enthält 600 Kondensatoren, von denen 3 Billionen – das sind 3000 Milliarden – jährlich hergestellt werden. Die Funktionsweise vieler elektrischer Keramiken hängt nicht vom Stromfluss durch das Material ab, sondern von Prozessen kleiner Ladungsversetzungen, der sogenannten Polarisation, über Teile des Atomdurchmessers. Etwa ein Viertel der weltweit hergestellten Elektrodenkeramiken verbindet diese Polarität mit einer Ausdehnung des Materials, die wiederum je nach Genauigkeit des Atomdurchmessers modifiziert werden kann. Erst dann können Computerkomponenten und kleinere Mikroroboter strukturiert werden.

Substitution der Atomreihe im Atom

Die Eigenschaften von Elektrokeramik können verbessert werden, indem durch chemische Eingriffe regelmäßig einzelne Atome im Kristallgitter durch andere ersetzt werden (Grant) – etwa beim Sitzen auf einem einzelnen Borussia Dortmund-Fan im schwarz-gelben Trikot in einem Kino voller Bayern-Fans in roten Hemden. Bei besonderen Anforderungen, wie hoher Temperatur oder Spannung, verliert das begabte Atom jedoch seinen Platz (der Lüfter wird herumgeschubst), was der Funktion der Keramik abträglich ist.

Die Struktur einzelner Atome in einem keramischen Kristallgitter ist für komplexe Anforderungen nicht stabil genug, aber die Struktur der gesamten Atomkette (Verdrängung) ist robust. Im Fußball-Beispiel entspräche dies einer Reihe von Borussia-Fans unter den Bayern-Fans. Bei der Suche nach diesen Verschiebungen arbeiten Materialwissenschaftler aus drei Arbeitsgruppen der TU Darmstadt mit Forschergruppen aus der Schweiz, den Niederlanden und den USA zusammen.

Neue Atome, neue Eigenschaften

„Für die geplanten Transfers reichen chemische Methoden nicht mehr aus“, erklärt Professor Jürgen Rudel, Leiter der Forschungsgruppe Anorganische Nichtmetallische Werkstoffe in Darmstadt. Stattdessen gelang es den Forschern, die Verschiebung mechanisch zu erreichen. Sie verwendeten ein Verfahren, bei dem Keramiken unter kontrollierten Druck- und Temperaturbedingungen mechanisch verformt werden, damit die Verschiebung in die Keramik eingedruckt werden kann. Bei Metallen ist ein solches Vorgehen trivial, bei Keramiken jedoch aufgrund ihrer enormen Härte bisher als weitgehend unmöglich angesehen. Außerdem ist die Oberfläche von Keramik sehr spröde und kann leicht brechen. Um diese Hindernisse zu überwinden, führten die Wissenschaftler einen mechanischen Fingerabdruck bei 1150 °C in einem Einkristall der zuvor berechneten optimalen Orientierung durch.

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Dieses Verfahren ermöglicht nun ein wohlgeordnetes Feld für neu besetzte Atomreihen. Diese Reihe steuert die lokale Polarisation, die Lastdissoziation, im Material. Da der gedruckte String die Polarisation deutlich begrenzt, kann er auch unter sehr hohen Betriebsbedingungen die Struktur nicht verlieren. Beim Betrieb von Elektrokeramik nehmen die nun durch die Reihe (Verschiebung) definierten Materialbereiche gewisse Ladungsanpassungen ein; Die Fußball-Analogie geht weiter, es ist, als würden sich Bayern-Fans abschnittsweise nach vorne oder zur Seite beugen. Da sich diese Materialbereiche unter hohen Bedingungen nicht ändern, wird keine Energie durch innere Reibung übertragen und das Verhalten der Materialien bleibt stabil.

Diese Materialien ermöglichen es nun, auch bei hohen Temperaturen und erhöhtem Energieverbrauch gleichbleibende Eigenschaften zu gewährleisten. Gleichzeitig befassen sich die Forscher mit der Kostensenkung, die für den Offsetdruck durch mehrere mechanische Bedruckungsoptionen erforderlich ist.

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Reinhardt Kosslick-Projekt:

Die DFG vergibt als Reinhart Koselleck-Projekt “Research in Displacements in Ceramics” über einen Zeitraum von fünf Jahren mit 1,25 Millionen Euro. Das Programm zielt auf die Freiheit, innovative Forschung zu betreiben, die im positiven Sinne besonders riskant ist, und würdigt damit renommierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Zum ersten Mal hat Professor Jürgen Rudel eine solche DFG-Förderung bei der Universität Darmstadt beantragt. In den angrenzenden Bereichen Ladungsübertragung und Erhöhung der Zuverlässigkeit von Keramiken (duktile Keramiken) gab es bereits eine Reihe hochkarätiger Veröffentlichungen und erste Patentanmeldungen für sein Projekt. Die Zahl der internationalen Suchpartner wächst derzeit sehr schnell und umfasst insbesondere auch Teams in England, China und Japan.

Höfling, X-Zoo, E-Browder, B-Liu, L-Zhou, BB Grosvich, F-Zoos, L-Remer, B-X. Xu, K. Durst, D. Damjanovic, X. Tan, J. Koruza und J. Rödel: “Polarization Control in Bulk Ferroelectric Materials by Mechanical Dislocation Fingerprint”. Wissenschaft Vol. 372, Ausgabe 6545, S. 961–964.

DOI: 10.1126 / science.abe3810

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Kontakt

Prof. Dr. Jürgen Rudel

Institut für Material- und Geowissenschaften

Abteilung für nichtmetallische und anorganische Werkstoffe

Tel: 06151 / 16-21693

E-Mail: [email protected]

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