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| Forschungszentrum Karlsruhe - Institut für Nanotechnologie |
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Nanostrukturiertes Material wandelt direkt elektrische in mechanische Energie um |
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PD Dr. Jörg Weissmüller, Dr. Ragadan
N. Viswanath, Dr. Dominik Kramer, Dipl.-Phys. Patrik Zimmer1,
Prof. Dr. Roland Würschum2, Prof. Dr. Dr. Herbert Gleiter 1Universität des Saarlandes 2Techn. Universität Graz |
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Zu Beginn existierte nur eine gute Idee: Aufgrund des großen Oberfläche/Masse-Verhältnisses von Nanopartikeln sollte es möglich sein, die Eigenschaften dieser nanostrukturierten Materialien durch das Anlegen einer elektrischen Ladung zu manipulieren, da die Stoffeigenschaften maßgeblich von ihrer an der Oberfläche lokalisierten elektronischen Struktur abhängig sind. Ihre Ladungsdichte wird demnach gezielt variiert. Hier kann somit von Nanomaterialien mit durchstimmbarer elektronischer Struktur gesprochen werden. Die einstellbaren Eigenschaften reichen von optischer Absorption, Ferromagnetismus, Wasserstoff-Speicherfähigkeit bis hin zu mechanischer Dehnung. Erstmals ist es nun am Institut für Nanotechnologie des Forschungszentrums Karlsruhe gelungen, dieses Prinzip erfolgreich in die Praxis umzusetzen. Reines Platin wird durch Verdampfen und anschließende Kondensation in einer dünnen Edelgasatmosphäre in weniger als 6 Nanometer große Partikel überführt, die durch Pressen zu einem nanoporösen Körper kompaktiert werden. |
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Abb. 1 REM-Aufnahme der Oberflächenstruktur des nanoporösen Platins. Deutlich ist ein Netzwerk nanokristallinen Platins zu erkennen, das von Poren durchzogen wird. |
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Der entstandene Festkörper wird in einen wässerigen Elektrolyten getaucht, so dass die Hohlräume ausgefüllt werden. Dabei bildet sich eine elektrochemische Doppelschicht aus (s. Abb.2) |
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Abb. 2 Schematische Darstellung eines Netzwerkes von Nanopartikeln eingetaucht in einem Elektrolyten. Durch Anlegen einer äußeren Spannung kann die elektrochemische Doppelschicht gezielt variiert werden. |
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Durch Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung werden an den Oberflächen der Nanopartikel elektrische Ladungen induziert. Die Ladung verteilt sich über die gesamte Oberfläche des nanostrukturierten Metalls und führt zu Abstoßungskräften der einzelnen Partikel untereinander. Da das Verhalten von Nanopartikeln im Gegensatz zu makroskopischen Festkörpern von den Oberflächen dominiert wird, bewirkt diese Abstoßung eine messbare Größenveränderung des Nanopartikelnetzwerkes. Er zieht sich zusammen oder dehnt sich aus. Schon bei relativ kleinen Spannungen (unter einem Volt) können in dem nanoporösen Platin Längenänderungen von bis zu 0,15 % erzielt werden. Damit lassen sich weltweit erstmals an einem Metall makroskopisch messbare Längenänderungen durch Anlegen von geringen elektrischen Spannungen hervorrufen. Wird die Spannung abgeschaltet, fließen die Ladungen über die umgebende Elektrolytflüssigkeit wieder ab, und der nanostrukturierte Festkörper nimmt seine ursprüngliche Ausdehnung ein. Der Vorgang ist somit reversibel. |
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Mögliche Anwendungen: · Mikroskopische Ventile · Adaptive Optiken · Intelligent Materialien, die bei Bedarf ihre Form ändern · Künstliche Muskeln für Miniaturroboter oder Kleinprothesen · Dosiereinheiten, Schalter und Regler · Messinstrument für Ionen oder elektrische Spannung · Bewegungs- oder Kraftsensoren zum Einsatz z.B. in Airbags (den umgekehrten Effekt ausnutzend: Umwandlung von Beschleunigung in einen Stromimpuls) |
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Veröffentlichung: Weissmüller et al., Charge-Induced Reversible Strain in a Metal, Science, 300, 312ff, 2003 |
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| Abb. 3: Edelgaskondensationsanlage zur Erzeugung von Nanopartikeln |
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Ansprechpartner PD Dr. Jörg Weißmüller, Dr. Dominik Kramer Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Institut für Nanotechnologie Postfach 3640, 76021 Karlsruhe joerg.weissmueller@int.fzk.de dominik.kramer@int.fzk.de |
