Großes Staunen über kleine Kristalle

  • 29. November 2011

Computermodell erklärt Phasenübergang kleinster Manganat-Kristalle zu Ferromagnetismus und elektrischer Leitfähigkeit.

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 – Manganate – plötzlich ganz andere Eigenschaften zeigen, wenn sie in Form von winzigsten Körnchen vorliegen.

Abb.: Magnetismus - im Großen und im Kleinen. (Bild: TU Wien)

Abb.: Magnetismus – im Großen und im Kleinen. (Bild: TU Wien)

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. Dadurch ändern sich auch die elektromagnetischen Eigenschaften des Kristalls.

Nur drei bis 15 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 Herausforderung.

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

In der Technik spielen Phasenübergänge, bei denen sich Materialeigenschaften ändern eine große Rolle. Ganz ähnliche Vorgänge sind in den Manganat-Kristallen zu sehen. Man kann durch gezielte Veränderung der Kristallgröße also beeinflussen, bei welchen äußeren Bedingungen die Manganat-Kristalle ihre Eigenschaften wechseln. Für technische Bauteile liefert das neue Möglichkeiten.

Die Forschungsarbeit entstand innerhalb des Monami-Projektes ("Modelling Nanomaterials Intelligently"), in dem die Zusammenarbeit von europäischen und indischen Forschungsgruppen im Bereich der comptergestützten Materialwissenschaft gefördert wird.

TU Wien / PH

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