Die wundersame Wirkung der Metalloxide

18. Juni 2013, 19:28
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Der diesjährige Wittgenstein-Preis ging an die Oberflächenphysikerin Ulrike Diebold - doch was genau macht eine Oberflächenphysikerin?

Metallen, die sich mit Sauerstoff verbinden, würde man auf Anhieb nicht die allerbesten Eigenschaften zuordnen. Ist doch die bekannteste derartige Verbindung durchwegs mit negativen Gedanken verbunden: Rost, entstanden freilich unter kräftiger Mithilfe von Wasser. Ihn wollen wir gar nicht. Wir kaufen ein Antirostmittel und entsorgen das Metallteil, wenn gar keine handelsübliche Chemie mehr hilft.

Ulrike Diebold, die am Montag für ihre Arbeiten in der Oberflächenphysik mit dem diesjährigen Wittgenstein-Preis ausgezeichnet wurde, hat freilich einen deutlich differenzierteren Zugang zu Metall-Sauerstoff- Verbindungen. Sie legt sie zum Beispiel unter ein Rastertunnelmikroskop. Mit diesem Werkzeug lassen sich kleinste Teilchen auf derartigen Oberflächen untersuchen und sogar unterschiedlich anordnen. Am Ende steht, wenn alles gut geht, die Analyse, wie und warum diese Oberflächen mit anderen Elementen interagieren.

Auf der Website von Diebolds Arbeitsgruppe am Institut für Angewandte Physik der TU Wien steht eine Art Bekenntnis zu diesen Forschungsarbeiten an Metalloxiden, ein Satz, der Menschen, die sich noch nie mit Oberflächenphysik beschäftigt haben, überraschen mag: " Nahezu alle Metalle oxidieren unter bestimmten Umweltbedingungen und die Vielfalt an physikalischen und chemischen Eigenschaften, die diese Oxide haben, ist beeindruckend."

Diebold erklärt diese Faszination zum Beispiel anhand des in der Natur häufig vorkommenden Magnetits (Fe3O4). Er findet sich in Nanopartikel- Größen im Schnabel von Tauben und hilft dort den Tieren bei der Orientierung. Im Labor brauchte es nur eine geringfügige Verzerrung der Molekülgitter an der Oberfläche des Metalloxids, und einzelne Atome wurden genau dort gefangen.

Kleinste Materialdefekte

Diebold hat als erste Wissenschafterin gezeigt, dass man kleinste Materialdefekte wie diese und die dabei auftretenden chemischen Reaktionen im Rastertunnelmikroskop sichtbar machen kann. Obwohl sie ihre Arbeiten als reine Grundlagenforschung bezeichnet, ist ihr die Anwendungsnähe natürlich bewusst. Das ist die logische Konsequenz, denn immer wenn es sich um Materialeigenschaften dreht, um mögliche Schäden von Oberflächen und um die Frage, wie man diese vermeiden kann, wird die Industrie hellhörig.

Ein Metalloxid, das es Diebold besonders angetan hat, ist Titandioxid (TiO2). "Das ist mein Material", schwärmt sie gegenüber dem Standard. Der nachhaltige Beweis: Mehr als sechs Dutzend Arbeiten hat sie darüber publiziert, was wohl auch an den vielfältigen Eigenschaften von Titanoxid liegen dürfte.

In Kristallform zum Beispiel ist es durchsichtig und eignet sich als Spiegelbeschichtung. Da es vom menschlichen Körper gut vertragen wird, spricht auch nichts gegen medizinische Anwendungen - in der Zahnpasta und Sonnencreme findet man das Material schon heute. Schließlich wird Titandioxid auch als Katalysator eingesetzt, der chemische Vorgänge ermöglicht oder beschleunigt.

Ein früherer Mitarbeiter von Diebold hat zum Beispiel Baumwollfasern mit Titandioxid beschichtet. Dieser Film wirkt auf wundersame Weise selbstreinigend. Unter Einwirkung von Sonnenstrahlen und Sauerstoff werden alle durch organisches Material verursachten Verschmutzungen zersetzt. Bisher war das ein Wunschtraum für jeden Industriebetrieb.

Metalloxide als Katalysatoren waren zuletzt das zentrale Thema der Forschungsgruppe. Erst vor kurzem kam ein Paper im Fachmagazin Nature Materials heraus, in dem sich die Wissenschafter mit Gold und Palladium als Abgase-reiniger beschäftigten: Beide Metalle werden eingesetzt, um die giftigen Produkte des Verbrennungsmotors - Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide - in die ungiftigen Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff umzuwandeln. Allerdings ist das nur dann zielführend, wenn die Metallpartikel auf der Eisenoxid-Oberfläche des Auto- Katalysators fein säuberlich verteilt sind. Sobald sie sich zueinander gesellen und dadurch verklumpen, ist es mit dem gewünschten Reinigungseffekt vorbei.

Diebolds Gruppe hat aber nicht nur die Vorgänge untersucht, die zum jähen Ende des Auto-Kat führen, sondern ist auch auf ein mögliches Gegenmittel gestoßen. Wenn auch Wasserstoff auf der Oberfläche vorhanden ist, wird die Verklumpung verhindert. Die Gründe dafür kennen die Wissenschafter noch nicht.

Der vom Wissenschaftsministerium und Wissenschaftsfonds FWF vergebene Wittgenstein-Preis ist mit 1,5 Millionen Euro dotiert. Geld, das Diebold für eine verbesserte Infrastruktur in ihrem Labor und für die Etablierung einer neuen Untersuchungsmethode verwenden will. Bisher sind Oberflächenstrukturen und mögliche Wechselwirkungen nämlich ausschließlich im Vakuum analysiert worden.

Neue Testmethode

Nun will die preisgekrönte Wissenschafterin die Forschung auf Experimente in Flüssigkeiten ausweiten. Darüber wisse man noch nahezu nichts, sagt sie. Gut möglich, dass durch diese neuartige Versuchsumgebung auch neue Erkenntnisse in ihr Fach gebracht und bisher ungeklärte Fragen beantwortet werden können.(Peter Illetschko, DER STANDARD, 19.6.2013)

  • Diese Hightech-Maschine ist ein Ultrahochvakuumsystem, in dem die Oberflächenexperimente der Wissenschafter durchgeführt werden.
    foto: tu wien

    Diese Hightech-Maschine ist ein Ultrahochvakuumsystem, in dem die Oberflächenexperimente der Wissenschafter durchgeführt werden.

  • Genau betrachteter Katalysator: ein Rastertunnelmikroskop-Bild einer Eisenoberfläche mit einzelnen Goldatomen.
    foto: tu wien

    Genau betrachteter Katalysator: ein Rastertunnelmikroskop-Bild einer Eisenoberfläche mit einzelnen Goldatomen.

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