Ein Molekül aus den Eisfontänen der Monde im äußeren Sonnensystem hat für Überraschung gesorgt: Durch Zufall entdeckte ein Planetenforscher, dass das im Eis vorhandene Methanol-Monohydrat zu einer ungewöhnlichen Materialgruppe gehört, die für einen Einsatz in der Nanotechologie prädestiniert ist. Denn bei Erwärmung dehnt sie sich in eine Richtung aus, schrumpft aber in den beiden anderen. Damit könnten diese Materialen zukünftig als „Nano-Schalter“ dienen, wie der Forscher jetzt in „Science“ berichtet.
Die Entdeckung war ein purer Zufall: Der Forscher Dominic Fortes vom University College London wollte eigentlich nur die innere Struktur von Eismonden im Sonnensystem, wie dem Neptunmond Triton, näher untersuchen. Ziel war es, eine Erklärung dafür zu finden, warum diese Monde immer wieder gewaltige Eisfontänen ins All schleudern. Dafür analysierte er das Verhalten von Methanol-Monohydrat, einem bekannten Bestandteil des Eises im äußeren Sonnensystem, unter Bedingungen, wie sie im Inneren der Monde vorherrschen
Schrumpft und wächst zugleich
Fortes maß die strukturellen Veränderungen der Methanolkristalle über eine Bandbreite von verschiedenen Temperaturen und Drücken. Dabei zeigte sich Überraschendes: Der Wissenschaftler stellte fest, dass sich die Kristalle, wenn sie bei Raumdruck erwärmt wurden, in eine Richtung stark ausweiteten, während sie in den beiden anderen Dimensionen schrumpften. Wenn sie jedoch bei gleichmäßigem, starkem Druck erwärmt wurden, erweiterten sie sich in zwei Richtungen, während sie sich in der dritten zusammenzogen. Die genauen Veränderungen, die dabei im Molekül geschehen, ermittelte der Forscher mit Hilfe eines Neutronenstrahls.
NLC-Materialien: selten aber begehrt
Diese unerwartete Verlängerung und Ausdünnung unter einheitlichem Druck ist ein Phänomen, das als negative lineare Kompressibilität (NLC) bekannt ist. Materialien mit dieser Eigenschaft sind extrem selten, gerade einmal rund 15 bekannte Beispiele gibt es dafür. Auch wodurch diese Eigenschaft verursacht wird, ist noch relativ unbekannt. Gleichzeitig aber sind die Materialien in der Nanotechnologie begehrt. Denn weil sich NLC-Materialien unter Druck in eine bestimmte Richtung ausdehnen, könnten sie sich auch hervorragend für Nanoschalter eignen. Aufgrund ihrer Form verändernden Eigenschaften lassen sie sich wie ein mikroskopisches Druckregelventil verwenden, das den Elektrizitätsfluss lenkt.
Einsatz als Nanoschalter
„Derzeit ist die Verwendung von NLC-Materialien für Technologien wie Nanoschalter rein theoretisch und wird durch unser mangelndes Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge begrenzt“, so Reinhard Neder, Vorsitzender der Kommission Kristallographie des ILL. „Die einfache Struktur von Methanol-Monohydrat bietet uns jedoch eine hervorragende Möglichkeit, die Quelle dieser Eigenschaft zu verstehen und in anderen, kommerziell besser nutzbaren Materialien nach ihr Ausschau zu halten.
„Die Entdeckung war auf jeden Fall eine Überraschung“, so Fortes. „Als Planetengeologe bin ich daran interessiert, die Mechanismen hinter den Vulkaneruptionen im äußeren Sonnensystem zu verstehen. Wenn meine Ergebnisse die Möglichkeiten der angewendeten Wissenschaft verbessern, ist das ein zusätzliches Plus.“
(Institut Laue-Langevin (ILL), 11.02.2011 – NPO)
