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News: Hitzefest im Nanomaßstab

Die große Zukunft der Technik liegt in winzigen Strukturen. Doch beim Übergang von 'Mikro' zu 'Nano' ändern sich die Eigenschaften vieler Materialien - Probleme, an die zuvor noch nie jemand gedacht hatte, lassen vielversprechende Projekte scheitern. Vielleicht wird es aber nicht ganz so schlimm. So schmelzen Klümpchen aus wenigen Zinn-Atomen erst bei höheren Temperaturen als große Mengen des Metalls. Können Nanostrukturen also besser mit Hitze umgehen, als Wissenschaftler bislang angenommen haben?
Was nützen wunderbar geätzte Nanorädchen, filigran gebastelte Minipumpen, selbstwachsende elektrische Leiterbahnen auf winzigen Chips, wenn das alles in einem klitzekleinen Rauchwölkchen aufgeht, sobald jemand das wertvolle Stück Supertechnik in Betrieb nimmt. Je kleiner ein Stückchen Metall ist, umso leichter schmilzt es – diese Regel haben Materialwissenschaftler immer und immer wieder in ihren Experimenten bestätigt. Und auch aus theoretischer Sicht macht das Sinn: Je größer das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ist, umso mehr Randatome lassen sich mit relativ wenig Energie vom Körper ablösen, da sie nur zu wenigen benachbarten Atomen Bindungen ausbilden können.

In der Nanowelt gelten jedoch andere Gesetze. Das mussten Martin Jarrold und seine Doktorand Alexandre A. Shvartsburg von der Northwestern University in Evanston feststellen, als sie Zinn-Ansammlungen von nur 15 bis 30 Atomen in ihrer Apparatur schmelzen wollten und die dafür notwendige Temperatur einfach nicht erreichen konnten. Und das, obwohl sie schon mehr als 50 Kelvin über dem bekannten Schmelzpunkt in der makroskopischen Welt waren (Physical Review Letters vom 18. September 2000, Abstract).

Die verbreitetste Methode, das Sinken des Schmelzpunktes zu verfolgen, besteht darin, eine Probe in einem Elektronenmikroskop zu erhitzen, bis die Kristallstruktur zusammenbricht. Dadurch verschwindet gleichzeitig das Beugungsmuster der Elektronen, was sich experimentell gut verfolgen lässt. Dieses Verfahren funktioniert allerdings nur mit Klümpchen von tausend oder noch mehr Atomen, für sehr viel kleinere Cluster müssen Wissenschaftler sich schon etwas Trickreicheres einfallen lassen.

Mit dem Ziel, die Eigenschaften einer Ansammlung von nur 15 Atomen zu bestimmen, verdampften Jarrold und Shvartsburg ein Stäbchen aus Zinn mit einem Laser zu einzelnen ionisierten Atomen. Durch vorsichtiges Abkühlen gewannen sie aus dem Gas Cluster von 15 bis 30 Atomen, deren exakte Größe die Forscher mit einem Massenspektrometer ermittelten. Anschließend gaben sie die Cluster in eine Drift-Kammer, die mit Helium gefüllt war und deren Temperatur sich genau einstellen ließ. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung sollten die Atomklümpchen durch die Kammer wandern. Dabei beeinflusst ihre Form die Geschwindigkeit: Kugelförmige Ansammlungen stoßen weniger oft mit Heliumatomen zusammen und sind deshalb schneller als langgestreckte Cluster mit der gleichen Masse. Am Schmelzpunkt sollten sich die ursprünglich länglichen Zinnklümpchen zu Kugeln umformen und so einen Anstieg der Mobilität hervorrufen. Darauf warteten Jarrold und Shvartsburg – vergebens. "Wir erhöhten die Temperatur immer weiter und sahen trotzdem keinen Effekt", erinnert sich Jarrold. Bis zur Maximaltemperatur ihres Versuchsaufbaus von 555 Kelvin blieb das Zinn standhaft – 50 Kelvin über dem Schmelzpunkt von größeren Mengen Zinn.

Eine Erklärung für die Hitzebeständigkeit des Metalls haben die Wissenschaftler nicht. Möglicherweise hat es etwas mit der ungewöhnlichen langgestreckten Form zu tun, die Zinn-Cluster von weniger als 30 Atomen annehmen, spekuliert Jarrold. Auch winzige Ansammlungen von Silicium und Germanium nehmen diese Form ein, doch deren Schmelzpunkte liegen sowieso zu hoch für die Laborausstattung von Jarrolds Arbeitsgruppe. Computersimulationen kommen anscheinend zu den gleichen Ergebnissen wie die Forscher aus Evanston. Sie prognostizieren für sehr kleine Zinn-Cluster einen Schmelzpunkt oberhalb von 900 Kelvin, und auch Silicium und Germanium sollten erst bei höheren Temperaturen weich werden als ihre makroskopischen Formen. Die zu Grunde liegende Theorie fehlt jedoch.

Noch! Denn sicherlich werden die Ergebnisse das Interesse vieler Theoretiker wecken. Abgesehen von der wissenschaftlichen Neugierde wird sie auch die Relevanz dieses Effektes für die Nanotechnologie reizen. Darin spielt das Element Silicium eine entscheidende Rolle, und es würde den Entwicklern bestimmt gefallen, wenn ihre filigranen Kunstwerke härter im Nehmen wären, als sie bislang gedacht haben.

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