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Die Kraft der Unordnung – Hochleistungskeramik

von redaktion
Empa Tubular Flow Reactor

Empa-Autor Rainer Klose berichtet in einem aktuellen Beitrag über sogenannte Hochtropie-Materialien. Das sind Kristalle, die aus „wild“ gemischten Zutaten bestehen. Derartige Materialien bleiben auch bei sehr hohen Temperaturen stabil und könnten zum Beispiel für Energiespeicher oder chemische Produktionsprozesse eingesetzt werden. Ein Team der Schweizer Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) erforscht und produziert diese neuen keramischen Materialien, die erst seit 2015 bekannt sind.

Dieser relativ neue Forschungsbereich macht sich den Effekt der Entropie zunutze, um damit Kristalle zu stabilisieren. Entropie wird auch als Maß der Unordnung bezeichnet, denn durch verschiedene Anordnungsmöglichkeiten von Teilchen in einem System steigt die Entropie. Sie kennzeichnet den Wert der Irreversibilität in der Thermodynamik.

Den Anfang in Bezug auf entropie-stabilisierende Materialien machten 2004 sogenannte Hochentropie-Legierungen, also Gemische von fünf oder mehr Elementen, die sich untereinander vermengen lassen. Wenn die Mischung gelingt und alle Elemente homogen in der Legierung verteilt sind, zeigen sich mitunter besondere Eigenschaften, die nicht von den einzelnen Zutaten herrühren, sondern von der Mischung. Die Wissenschaftler nennen sie „Cocktail-Effekte“.

Das Streben nach Unordnung

Seit 2015 ist nun bekannt, dass sich auch keramische Kristalle durch die „Kraft der Unordnung“ stabilisieren lassen. Die Auswahl der Kristallbausteine nimmt dadurch sogar noch zu. Es passen auch übergroße und zu kleine Bausteine in den Kristall, die ihn im Normalfall zerstören würden. Auf diese Weise gelang es dem Empa-Team bereits neun verschiedene Atome in einen Kristall einzusetzen. Dadurch bleiben sie stabil, selbst wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Das natürliche Streben nach maximaler Unordnung stabilisiert die neue Kristallstruktur – und damit das gesamte Material – und zwar auch unter Extrembedingungen.

„Bei bis zu vier Komponenten im Kristall ist alles noch normal, ab fünf Komponenten ändert sich die Welt“, sagt Michael Stuer, Forscher in der Empa-Abteilung „High Performance Ceramics“. Seit 2019 bearbeitet er das Forschungsfeld der Hochentropie-Kristalle. „Diese Materialklasse eröffnet uns eine Vielzahl neuer Chancen. Wir können mithilfe der Entropie zum Beispiel Kristalle stabilisieren, die sonst aufgrund innerer Spannungen zerfallen würden. Und wir können hochaktive Kristalloberflächen schaffen, die es vorher noch nie gab, und nach interessanten Cocktail-Effekten suchen.“

Michael Stuer und Amy Knorpp mit dem Modell eines „chaotischen“ Kochsalzkristalls mit fünf Komponenten. © Empa

Inseln des Wissens bei Hochtropie-Materialien

Stuer und Kollegin Amy Knorpp sind Spezialisten für die Herstellung von feinem Kristallpulver. Mithilfe von Empa-Kollegen aus der Röntgen- und Oberflächenanalytik wollen sie in der internationalen Forschungsszene ganz vorne mitspielen. „Es gibt im Moment noch keine zusammenhängende Expertise, noch keinen vollständigen Überblick über dieses neue Forschungsgebiet“, weiß Stuer. „Verschiedene Forschungsgruppen auf der Welt arbeiten an begrenzten Projekten. So entstehen einzelne Inseln des Wissens, die im Laufe der nächsten Jahre zusammenwachsen müssen.“

Stuer und Knorpp konzentrieren sich auf katalytisch aktive Materialien. Konkret interessieren sie sich für die Verbindung von CO2 und Wasserstoff zu Methan. Aus einem Treibhausgas soll also ein nachhaltiger, speicherbarer Brennstoff werden. „Wir wissen, dass CO2-Moleküle auf bestimmten Oberflächen besonders gut adsorbiert werden und die gewünschte Reaktion dann leichter und schneller abläuft“, erläutert Amy Knorpp. „Nun versuchen wir entropische Kristalle herzustellen, an deren Oberflächen solche hochaktiven Bereiche existieren.“

Beschleunigte Forschung durch Synthesegerät

Um rascher voranzukommen, haben die Forscher mithilfe der Empa-Werkstatt ein spezielles Synthesegerät gebaut, in dem vielerlei chemische Mischungen wie am Fließband getestet werden können. In diesem „Tubular Flow Reactor“ laufen kleine Bläschen durch einen Schlauch, in denen die jeweilige Reaktion passiert. Am Ende werden die Bläschen entleert, und das darin enthaltene Pulver kann weiterverarbeitet werden. „Der Tubular Flow Reactor hat einen riesigen Vorteil für uns: Alle Bläschen sind gleich groß, darum haben wir für unsere Synthesen immer ideale und gleichbleibende Randbedingungen“, erklärt Stuer. „Falls wir von einer besonders vielversprechenden Mischung größere Mengen brauchen, produzieren wir einfach mehrere Bläschen mit der gleichen Mixtur nacheinander.“

Im „Tubular Flow Reactor“ laufen kleine Bläschen durch einen Schlauch, in denen die jeweilige Reaktion passiert. Am Ende werden die Bläschen entleert, und das darin enthaltene Pulver kann weiterverarbeitet werden. © Empa

Aus dem Vorprodukt-Pulver werden dann durch verschiedene Trocknungsverfahren feine Kristalle der gewünschten Größe und Form. Nun kooperieren die Empa-Forscher für ihr erstes großes Projekt mit Kollegen vom Paul-Scherrer-Institut (PSI). Diese untersuchen in einem Versuchsreaktor die mögliche Methanisierung von CO2, das aus Biogasanlagen und Klärwerken stammt. Ein Problem dabei ist, dass der Katalysator, an dessen Oberfläche die Reaktion stattfindet, mit der Zeit schwächer wird. Dies liegt an den Schwefel-Anteilen im Biogas, die die Oberfläche verschmutzen. Durch den Einsatz von neuartigen entropischen Kristallen erhoffen sich die Forscher eine Lösung für dieses Problem. Gelingt es ihnen, eröffnen sich enorme Potenziale – etwa für Hochleistungsbatterien, supraleitende Keramik, Auto-Katalysatoren oder chemische Prozesse.


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