Winzige Kristalle verblüffen mit unerwarteten Eigenschaften

Magnetismus im Großen und im Kleinen. Bild: Technische Universität Wien

Ein kleines Stück Eisendraht ist magnetisch - genau wie eine große Eisenstange. Auf die Größe kommt es bei Materialeigenschaften normalerweise nicht an. Überraschenderweise entdeckte man nun aber in einem österreichisch-indischen Forschungsprojekt, dass bestimmte Materialien plötzlich ganz ungewohnte Eigenschaften zeigen, wenn man sie in Form winziger Kristalle untersucht. Das soll in Zukunft zu Werkstoffen mit maßgeschneiderten elektrischen und magnetischen Eigenschaften führen.

Computermodell des Nanokristalls, Bild: Technische Universität Wien

Materialeigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit, magnetische Eigenschaften oder auch Schmelz- und Siedetemperatur hängen nicht von Größe und Form eines Objekts ab. „Ein Experiment in Indien lieferte kürzlich allerdings Hinweise, dass bestimmte Manganoxide, die sogenannten Manganate, plötzlich ganz andere Eigenschaften zeigen, wenn sie in Form von winzigsten Körnchen vorliegen“, berichtet Karsten Held.

Ein Forschungsteam der TU Wien und der Universität Kolkata in Indien untersuchte dieses Phänomen daher nun näher – und konnte den neuen Effekt mit Hilfe von Computersimulationen erklären. Geht man zu immer kleineren Kristallen über, ändert sich die Verteilung der Elektronen und ihre Energie - und dadurch ändern sich auch die elektromagnetischen Eigenschaften des Kristalls. „Wichtig ist hier auch das Phänomen der Quanten-Verschränkung“, erklärt Karsten Held. „Man kann sich hier die Elektronen nicht mehr wie klassische Teilchen vorstellen, die sich unabhängig auf getrennten Pfaden bewegen, die Elektronen können nur gemeinsam beschrieben werden.“

Durch Änderung der Größe können die Eigenschaften von Manganat-Kristallen nun gezielt geändert werden. Größere Kristalle können keinen Strom leiten und sind auch nicht magnetisch. Betrachtet man hingegen winzige Kristallstückchen, stellen sich diese erstaunlicherweise als metallische Ferromagneten heraus.

Interessant für die Industrie

In der Technik spielen Phasenübergänge, bei denen sich wichtige Materialeigenschaften ändern eine große Rolle: „Wenn von einer Computerfestplatte durch den Lesekopf Daten ausgelesen werden, geschieht das durch einen Übergang zwischen einem stromleitenden und einem nicht stromleitenden Zustand“, erklärt Karsten Held. Ganz ähnliche Vorgänge sind in den Manganat-Kristallen zu sehen: „Es war klar, dass die magnetischen Eigenschaften von Manganaten von der Temperatur und vom Magnetfeld abhängen“, sagt Tanusri Saha-Dasgupta, Materialforscherin der Universität Kolkata. „Doch nun wissen wir, dass diese Übergänge auch durch eine Veränderung der Kristallgröße kontrollierbar werden.“ Man kann durch gezielte Veränderung der Kristallgröße also beeinflussen, bei welchen äußeren Bedingungen die Manganat-Kristalle ihre Eigenschaften wechseln. Für technische Bauteile liefert das aufregende neue Möglichkeiten.

Gewaltiger Rechenaufwand

Nur drei bis fünfzehn Milliardstel Meter messen die Manganat-Kristalle, die von dem österreichisch-indischen Forschungsteam untersucht wurden – doch immer noch bestehen sie aus hunderten oder tausenden Atomen. Sie am Computer zu simulieren ist daher eine gewaltige Herausforderung. „Nur mit besonders leistungsfähigen Computerclustern kann man die quantenphysikalischen Gleichungen lösen, mit denen wir es hier zu tun haben“, sagt Doktorand Angelo Valli. „Zum Glück sind wir an der TU Wien mit dem Großrechner VSC in diesem Punkt sehr gut ausgestattet.“

Europäisch-Indische Kooperation

Die Forschungsarbeit entstand innerhalb des Monami-Projektes, in dem die Zusammenarbeit von europäischen und indischen Forschungsgruppen im Bereich der comptergestützten Materialwissenschaft gefördert wird - beispielsweise der Auslandsaufenthalt von Angelo Valli in Kolkata. „Sowohl auf europäischer als auch auf indischer Seite gibt es hier sehr starke Forschungsgruppen – durch eine dauerhafte Zusammenarbeit profitieren alle Beteiligten“, sind sich Karsten Held und Tanusri Saha-Dasgupta einig.

Quelle: Technische Universität Wien