Nanowissenschaft in Österreich schwer auf Draht

Nanodrähte aus Nickel-Rhodium besitzen eine überraschend hohe Reaktionsfähigkeit gegenüber Sauerstoff. Damit bieten sie ein zukünftiges Entwicklungspotenzial für neuartige chemische Katalysatoren. Zu diesem Ergebnis kam eine österreichisch-schwedische Gruppe, der es gelang, eindimensionale Nickelbahnen kontrolliert auf einer Rhodiumunterlage aufzubringen. Das Team arbeitet als Teil des Nationalen Forschungsnetzwerks "Nanowissenschaften auf Oberflächen", das seit Dezember 2003 vom Wissenschaftsfonds FWF unterstützt wird. 

Atome an den Ober- und Grenzflächen von Körpern verhalten sich aufgrund ihrer Randposition anders als Atome im Volumeninneren. Wird nun das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen signifikant geändert, so kann dies grundlegenden Einfluss auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften eines Materiales haben - trotz unveränderter chemischer Zusammensetzung. Da Strukturen des Nanobereichs im Extremfall eindimensional sind - und damit quasi nur noch Oberfläche darstellen -, kommt der Erforschung von Oberflächeneffekten in den Nanowissenschaften eine ganz besondere Bedeutung zu. Genau diesem Aspekt widmet sich das Nationale Forschungsnetzwerk "Nanowissenschaften auf Oberflächen" unter der Koordination von Prof. Falko Netzer, Institut für Physik, Karl-Franzens-Universität Graz.


Die Dimension der Forschung


Vor kurzem gelang es Prof. Netzer und seinem Team, ein Modell zu etablieren, an dem die Reaktionsfähigkeit metallischer Nanosysteme auf atomarer Ebene erforscht werden kann. Dazu Prof. Netzer: "Es gelang uns, quasi-eindimensionale Nickelatomreihen auf eine spezielle Rhodium-Unterlage aufzudampfen. Diese einkristalline Rhodiumunterlage besitzt eine präzise gestaltete Treppenstruktur. Bei dieser wechseln sich Stufen, die nur den Abstand zweier Rhodium-Atome hoch sind, mit Terrassen ab, die mehrere Atome weit sind." Tatsächlich konnte das Team durch die Ablagerung von Nickelatomen genau am Verlauf der Stufen ein Bimetall-System mit präzise definierten Dimensionen auf der Nanoskala herstellen.

In der Folge ermittelte die Gruppe um Prof. Netzer die chemische Reaktionsfähigkeit dieses Systems. Dazu wurden neben Raster-Tunnel-Mikroskopie und aufwendigen Berechnungen auch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie mittels Synchroton-Strahlung an der Universität Lund in Schweden durchgeführt. Interessanterweise zeigten diese Analysen, dass die Nickelbahnen eine ungewöhnlich hohe Reaktivität mit Sauerstoff aufwiesen. Ursächlich für diese erhöhte Reaktivität sind zunächst Verschiebungen bestimmter Elektronenzustände von Rhodium-Atomen der Stufenstruktur. Diese Verschiebung wirkt in der Folge auf die unmittelbar benachbarten Nickelatome und erleichtert deren Reaktion mit Sauerstoff.


Reaktionsfähig

Zum Potenzial dieser hohen Reaktivität mit Sauerstoff meint Prof. Netzer: "Unsere Messungen und Berechnungen belegen eindeutig, dass die eindimensionalen Nickelbahnen bei entsprechendem Gasdruck vollständig mit Sauerstoff reagieren können - ohne dass auch nur ein Rhodium-Atom mit Sauerstoff reagiert. Damit bietet dieses System Möglichkeiten zur Entwicklung von neuen Katalysatoren, deren Reaktionen die Adsorption und Dissoziation von Sauerstoff-Atomen beinhalten."

Für Prof. Netzer verdeutlicht dieses Ergebnis einmal mehr die wichtige Rolle, die grundlegende Forschung an Nanomaterialien für deren zukünftige Anwendung in alltäglichen Prozessen hat. Diese Bedeutung der Grundlagenforschung motivierte Prof. Netzer und einige österreichische KollegInnen im Jahr 2003, das vom FWF unterstützte Nationale Forschungsnetzwerk "Nanowissenschaften auf Oberflächen" zu gründen. Diesem gehören Gruppen aus dem Bereich der Oberflächenwissenschaft an der Karl-Franzens-Universität Graz, an den Universitäten Wien, Linz und Innsbruck sowie an den Technischen Universitäten Wien und Graz an. Dieses heterogene Netzwerk ermöglicht nun eine interdisziplinäre Zusammenarbeit unter Rückgriff auf verschiedene Methoden aus Physik, Chemie und Materialwissenschaften mit dem Ziel der Herstellung und Charakterisierung von definierten Nanostrukturen auf Oberflächen. Denn nur wenn die chemischen und physikalischen Vorgänge auf der Nanoebene verstanden und beherrscht werden, ist an einen effizienten und sicheren Einsatz dieser Technologie in Zukunft zu denken.

Originalpublikation: J. Schoiswohl, F. Mittendorfer, S. Surnev, M. G. Ramsey, J. N. Andersen, F. P. Netzer, Physical Review Letters 97(2006)126102

Wissenschaftlicher Kontakt
Prof. Falko Netzer
Karl-Franzens-Universität Graz
Institut für Physik
8010 Graz
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falko.netzer(at)uni-graz.at

Der Wissenschaftsfonds FWF
Mag. Stefan Bernhardt

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