Nanostrukturen im Selbstbau

US-Wissenschaftler haben eine einfache Methode entwickelt, Nanomaterialien zum Aufbau komplexer Strukturen zu bewegen.

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Von
  • Kevin Bullis

Forscher an der University of California in Berkeley arbeiten an einer Technik, mit der sich komplizierte Nanostrukturen erstaunlich leicht herstellen lassen. Dabei kommen winzige Stäbe zum Einsatz, auf denen Nanokristalle sitzen. Die neue Synthesemethode könnte zu aufwendigen Nanomaterialien führen, die sich etwa für preiswerte Solarzellen eignen.

In den mit der Methode erstellten Nanostrukturen besitzen die Nanokristalle alle die gleiche Größe und sind gleichmäßig entlang der Stäbe verteilt. Ein Aufbau, der zuvor nur unter komplexeren Bedingungen wie einem Vakuum möglich war, bei dem die Forscher die Größe und Anordnung der verschiedenen Materialien vorsichtig abstimmen mussten, erläutert Paul Alivisatos, Professor für Chemie und Materialwissenschaften in Berkeley, der das Projekt leitet. Mit der neuen Technik muss der Forscher nun einfach die korrekten Ausgangsmaterialien in einer Lösung vermischen, um eine geordnete Struktur zu erhalten.

Solche auf Lösungen basierenden Methoden sollen eines Tages zu Produktionsverfahren führen, bei denen sich das gewünschte Endprodukt, etwa Ausgangsstoffe für Solarzellen, auf unterbrechungsfreien Bögen "drucken" ließe. Das würde Kosten senken. "Eine Lösung ist viel einfacher und billiger als ein Vakuum", meint Moungi Bawendi, Chemieprofessor am MIT, der die Berkeley-Arbeit kennt.

Um seine Nanostäbe zu erzeugen, mischte Alivisatos eine Kombination aus Methanol und Silbersalz in eine Lösung, in der sich bereits Cadmiumsulfid-Nanostangen befanden. Cadmium-Ionen haben eine starke Affinität zu Methanol. Im Ergebnis zog das Methanol in der Mischung also das Cadmium aus den Nanostangen. Silberionen füllten dann die Bereiche auf, aus denen das Cadmium sich zurückgezogen hatte, so dass sich Silbersulfid-Bereiche in den Nanostäben ergaben. Gleichzeitig regulieren Unterschiede in der Kristallstruktur der Cadmiumsulfid-Stangen und der Silbersulfid-Bereiche die Größe der Nanopartikel und die ihrer Zwischenräume. Alivisatos Team nutzt diese Methode erstmals zur Kontrolle von Selbstbau-Nanostrukturen in einer Lösung.

Die Nanokristall-besetzten Stäbe könnten sich für Solarzellen und thermoelektrische Bauteile eignen, die Wärme direkt in Strom umwandeln. Konventionelle Solarzellen erzeugen aus jedem Photon nur ein Elektron. Bestimmte Nanokristalle verhalten sich jedoch wie so genannte Quantenpunkte, die einzelne Photonen in mehrere Elektronen umwandeln, was die Effizienz von Solarzellen verdoppelt. Das Problem ist bislang noch, wie sich diese Zusatz-Elektronen zur Stromerzeugung einfangen lassen. Die Einbettung von Quantenpunkten innerhalb von Nanostäben aus anderen Materialien könnten das Problem lösen, meint Alivisatos. Die Quantenpunkte würden dann das Licht absorbieren und das andere Material die so generierten Elektronen zur Stromerzeugung einfangen.

Eine ähnliche Konfiguration bietet sich für die Thermoelektrik an, bei der Wärme direkt in Elektrizität verwandelt wird. Eine alternierende Kristallstruktur auf den Nanostäben würde einen Wärmetransfer blockieren, aber Elektronen durchlassen – zwei wichtige Eigenschaften solcher Geräte.

Nach ersten Demonstrationen ihrer Produktionsmethode beginnen Alivisatos und seine Kollegen nun damit, die genauen photoelektrischen und thermoelektrischen Eigenschaften solcher Materialien zu erforschen. Dazu müssen andere Zusammensetzungen wie Kupfer- und Cadmiumsulfid verwendet werden – eine Kombination, die bereits in der Vergangenheit für Solarzellen verwendet wurde. Eine Garantie, dass auch diese Ausgangsmaterialien ordentliche Nanostrukturen ergeben, gibt es allerdings nicht – auch nicht, ob sie überhaupt die von den Forschern erhofften Eigenschaften haben.

Doch selbst wenn die neue Technologie nicht zu neuen Billig-Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad führt, hilft die Methode zum Nanostrukturen-Aufbau bereits jetzt bei der Schaffung neuer Materialien. MIT-Mann Bawendi sieht allerdings noch viel Grundlagenforschung auf die Wissenschaftler zukommen, bevor wichtige Energieprobleme gelöst werden können: "Wir kennen diese Lösung einfach noch nicht." Qualitativ hochwertige neue Materialien, wie sie Alivisatos kreieren will, könnten aber erste Ansätze bieten. (bsc)