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Die Zukunft gespeichert im Nanokristall

Auf kleinster Ebene werden Strukturen entwickelt, die unsere Zukunft maßgeblich verändern könnten. Nanokristalle, wie sie an der Montanuniversität Leoben erforscht werden, bilden die Grundlage für Anwendungen von Speichermedien bis zu Lithium-Ionen-Akkus.

Man kennt sie heute meist nur noch als nostalgischen Gegenstand, aber während der 80er-Jahre war die Diskette als bestes Speichermedium ihrer Zeit im Umlauf. Bald kamen CDs, Festplatten und USBSticks, doch auch sie könnten schon bald abgelöst werden. Manche Forscher ernennen sie bereits zur nächsten Generation der Speichermedien: Kristalle, oder besser gesagt, Superkristalle. Kleiner als ein Zuckerwürfel, kann Information auf alle Seiten des Objekts aufgetragen werden. Dabei und wiederum beim Ablesen der Daten hilft ein Laser.

An einer ähnlichen Anwendung wird auch an der Montanuniversität Leoben geforscht. Sogenannte kolloidale Nanokristalle – das sind anorganische Partikel mit einigen Hundert Atomen, die in einer feinen Verteilung eine geordnete Struktur bilden – werden als künstliche Atome genützt, bilden also die kleinste Einheit im Aufbau größerer Festkörper. Nützen kann man sie nicht nur für Datenspeicherung, sondern auch für diverse andere Anwendungen, so Rainer Lechner, Leiter des Forschungsteams am Institut für Physik: „Mit richtig angeordneten, optisch-aktiven Nanokristallen lassen sich Laser, Lichtdetektoren oder flexible LEDs realisieren.“ Metallische Superkristalle könnten zusätzlich auch als Speicher für Lithium-Ionen dienen und die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus verbessern. Diese werden für elektronische Anwendungen von Mobiltelefon bis Digitalkameras verwendet, nun aber auch vermehrt als Energiespeicher in Elektroautos und Hybridfahrzeugen.

GITTERSTRUKTUR IM KRISTALL
Kristalle, wie sie in der Natur vorkommen, sind der Inbegriff einer solchen geordneten Struktur. Hier sitzen Atome in einer festen Struktur neben- und übereinander und bilden von selbst eine Art Gitter. Auch die Nanoteilchen der Kristalle aus dem Labor weisen diese Eigenschaften auf, mehrere Nanokristalle können in einer bestimmten Anordnung kombiniert werden. Das macht es einfacher, die Eigenschaften des Materials zu beeinflussen. Angefangen bei der Wahl der Atomsorte, fügen die Wissenschaftler sie anschließend zu einer bestimmten Struktur zusammen und formen die kolloidalen Nanokristalle für die weitere Anwendung. Doch von besonderer Bedeutung sind auch die Prozesse, die von selbst passieren: Die Forscher beobachteten die Selbstorganisation also den Prozess, bei dem die einzelnen Nanoteilchen zusammenwachsen und einen sogenannten Superkristall bilden. Diese Superstrukturen nennen die Forscher funktionelle Feststoffe, da sie die elektronischen Eigenschaften der einzelnen Nanokristalle übernehmen. Die Ergebnisse dieser Beobachtungen publizierten sie gemeinsam mit anderen Forscher der Technischen Universität Graz und der Universität Wien im Journal „Advanced Materials“.

Die Relevanz der Methode wird klar, wenn man sich die Dimensionen der Superkristalle ansieht: Während Disketten noch eine Lebensdauer von etwa fünf bis 30 Jahren hatten, soll die neue Generation der Datenspeicherung über 1000 Jahre bestehen bleiben, wie Forscher der Universität Münster erklären. Temperatur und Feuchtigkeit machen den sogenannten holografischen Datenkristallen kaum etwas aus. Die flachen Disketten der 80er hatten zudem eine maximale  Speicherkapazität von 3250 Kilobyte, die Kristalle könnten 493 Gigabyte pro Kubikzentimeter speichern.

Im Bereich der Materialwissenschaften belegte die Montanuniversität Leoben den 7. Platz in einem weltweiten Ranking der School of Engineering der École polytechnique fédérale in Lausanne (EPFL). Am Institut für Physik der Montanuniversiät Leoben wird an funktionellen Materialien für Elektronik, Photonik und den Energiesektor geforscht. Mehr Infos unter: http://physik.unileoben.ac.at

Foto: Am Teilchenbeschleuniger der ETH Zürich werden Röntgenstrahlen erzeugt (a) und damit die mikrometergroßen Superkristalle bestrahlt (b). Diese bestehen aus einzelnen, regelmäßig angeordneten Nanokristallen (c).