Mysteriöse, sich ausdehnende Eiskristalle in den Monden von Saturn und Neptun könnten von Interesse für zukünftige Entwickler von Mikroelektronik sein. Durch Streuung von Neutronen hat man entdeckt, dass Methanolkristalle, die man in ‚Eislava‘ im äußeren Sonnensystem finden kann, sehr ungewöhnliche Ausdehnungseigenschaften besitzen. Die unerwartete Entdeckung von einem britischen Planetengeologen am Institut Laue-Langevin und der ISIS Neutron Source wird Entwickler von so genannten Nano-Schaltern interessieren – winzige Schalter von der Dicke eines Atoms, die in der Mikroelektronik auf Nano-Ebene benutzt werden.
Dr. Dominic Fortes vom University College London (UCL) machte die Entdeckung, als er die interne Struktur von Eismonden – etwa der Neptunmond Triton – untersuchte, um die von vorbeifliegenden Raumsonden beobachteten Eis-Eruptionen zu erklären. Fortes studierte das Verhalten von Methanol-Monohydrat (einem bekannten Bestandteil von Eis im äußeren Sonnensystem) unter Bedingungen, wie sie im Inneren des Mondes herrschen. Auf diese Weise hoffte er, die Rolle des Methanol-Monohydrats bei den cryovulkanischen Aktivitäten zu verstehen.
Fortes maß strukturelle Veränderungen in den Methanolkristallen unter verschiedenen Temperatur- und Druckverhältnissen. Er fand heraus, dass die Kristalle sich bei Raumtemperatur extrem in eine Richtung ausdehnen, während sie in den anderen beiden Dimensionen schrumpfen. Wenn sie allerdings unter gleichmäßigem Druck erhitzt werden, dehnen sie sich in zwei Richtungen aus und schrumpfen in der dritten Dimension. Diese unerwartete Ausdehnung unter gleichbleibendem Druck ist bekannt als negative lineare Kompressibilität (NLC).
Während diese Ergebnisse den nächsten Schritt bedeuten, um vulkanische Aktivität im äußeren Sonnensystem zu verstehen, ist Fortes Entdeckung von großem Interesse für Materialforscher, die Nanotechnologie entwickeln. Die vorhersagbare Ausdehnung von unter Druck stehenden NLC-Materialien in eine bestimmte Richtung macht sie zu guten Kandidaten für Nano-Schalter. Ihre formverändernden Eigenschaften können in mikroskopischen, druckabhängigen Ventilen den Stromfluss steuern.
NLC-Materialen sind mit nur rund 15 bekannten Beispielen sehr selten. Was genau diese Eigenschaft auslöst, ist noch immer ziemlich unklar. Wissenschaftler hoffen, dass ein besseres Verständnis dieses Phänomens die potenziellen technologischen Anwendungen voranbringen kann.
„Aktuell ist der Einsatz von NLC-Materialien in Technologien wie Nano-Schaltern sehr theoretisch und von unserem magelnden Verständnis der zugrundeliegenden Physik beschränkt“, sagte Prof. Reinhard Neder, Vorsitzender des ILL crystallographic committee, der Fortes‘ Arbeit am weltweit führenden Zentrum für Neutronenwissenschaft genehmigt hatte. „Wie auch immer, die einfache Struktur von Methanol-Monohydrat gibt uns die Möglichkeit, die Ursache dieser Eigenschaft zu verstehen und in anderen kommerziell nutzbaren Materialien danach zu suchen.“
„Es war sicherlich unerwartet“, erklärte D. Fortes. „Als Planetengeologe liegt meine Aufmerksamkeit darin, die Mechanismen zu ergründen, welche hinter den vulkanischen Eruptionen im äußeren Sonnensystem stehen. Wenn meine Ergebnisse Türen für angewandte Wissenschaften hier auf der Erde öffnen, dann ist das ein Bonus.“
Professor Richard Wagner, Direktor des Institut Laue Langevin fügte hinzu: „Diese Arbeit ist ein gutes Beispiel dafür, wie Grundlagenforschung völlig unvorhersehbare Auswirkungen auf andere Fachgebiete in Wissenschaft und Technologie haben kann. Wegen Entdeckungen wie dieser ist das ILL bestrebt, seine weltführende Position in der Neutronenwissenschaft bezüglich Grundlagenforschung und angewandter Forschung zu erhalten.“
(THK)
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