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Moderne Stromquellen: Der kleinste Generator der Welt

Verformt man piezoelektrische Materialien, treten elektrische Spannungen auf. Forscher konnten so nun erstmals auch mit dünnen Schichten aus einzelnen Atomen Strom erzeugen. Winzige Generatoren sind damit möglich.
Generator aus atomaren Schichten

Der piezoelektrische Effekt ist altbekannt: In bestimmten Festkörpern entsteht elektrische Spannung als Folge einer mechanischen Deformation. Durch Zusammenpressen oder Auseinanderziehen dieser Materialien kann man also elektrische Energie erzeugen. Theoretisch sollte das selbst bei ganz dünnen Schichten einzelner Atome möglich sein. Forschern der Columbia University und des Georgia Institute of Technology gelang es nun, diesen Effekt bei atomaren Schichten aus Molybdändisulfid (MoS2) auch tatsächlich nachzuweisen. Solche extrem flachen Materialien könnten zukünftig als Minikraftwerke dienen.

MoS2 weist eigentlich keine piezoelektrischen Eigenschaften auf. Allerdings besteht die grau-schwarze Substanz aus vielen einzelnen, quasi zweidimensionalen kristallinen Schichten. Forscher vermuteten daher schon lange, dass der Effekt innerhalb solcher Schichten auftreten könnte, denn bei Kristallen ist der piezoelektrische Effekt weit verbreitet. Die Kristallatome formen ein wohlstrukturiertes Netzwerk – ein Kristallgitter. Lokale Ladungsunterschiede heben sich in dieser Struktur nach außen hin auf. Verändert man jedoch die Position der Atome untereinander, etwa durch Stauchen oder Strecken, dann entsteht eine elektrische Spannung. Umgekehrt führt das Anlegen einer elektrischen Spannung zu einer Verformung des Materials.

Um zu zeigen, dass auch die kristallinen MoS2-Schichten piezoelektrische Eigenschaften haben, fixierten die Wissenschaftler um Zhong Lin diese auf einem flexiblen Kunststoffstreifen – entweder einzeln oder mehrere übereinander. Sie konnten die Atome im Gitter nun gegeneinander verschieben, indem sie den Kunststoff verbogen. Mit Hilfe zweier Minielektroden maßen sie die elektrische Spannung am Gitter. Und tatsächlich: Spannungen treten auf – allerdings nur, wenn die Anzahl der Schichten ungerade ist. Bei einzelnen Schichten ist die erzeugte elektrische Spannung gar am größten. Bei einer geraden Schichtanzahl tritt der gleiche Effekt wie bei größeren Mengen von MoS2 auf: Spannungsdifferenzen löschen sich im Mittel wieder gegenseitig aus.

Die elektrische Spannung an den kristallinen MoS2-Schichten kann man in einen Stromfluss umwandeln und so als Energie nutzbar machen. Derartige Minigeneratoren wären ungemein leicht, durchsichtig und dehnbar – sprich sehr flexibel einsetzbar. Die Vision der Forscher ist deshalb, sie in eine Vielzahl technischer Geräte oder gar in funktioneller Kleidung zu integrieren. Eingewebte piezoelektrische Schichten würden allein durch unsere Bewegung – also schon einfaches Laufen oder Gehen – Strom produzieren und beispielsweise das Handy in der Hosentasche laden, schlägt James Hone, ein Koautor der Studie, vor. Der nun präsentierte Minigenerator ist dazu noch lange nicht in der Lage: Der gemessene Maximalstrom lag bei 37 Pikoampere bei einer Spannung von 27 Millivolt. Lediglich ein riesiges Netzwerk solcher Schichten könnte genügend elektrische Energie erzeugen, um etwa ein Mobiltelefon zu laden. Bei der bisherigen Leistung müssten wir uns noch Millionen, wenn nicht Milliarden Jahre bewegen, bis der Akku dann mal endlich voll ist.

43. KW 2014

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 43. KW 2014

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  • Quellen
Nature 10.1038/nature13792, 2014

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