Paradox der 2D-Materialien: Warum dünnste Blätter härter sind als dicke Platten

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Ultradünne Filme aus Graphen, Graphenoxid oder Polymeren werden unter extremer Belastung umso widerstandsfähiger, je dünner sie sind. Der theoretische Physiker Alessio Zaccone (Universität Mailand) hat dafür in PNAS ein allgemeines Skalierungsgesetz vorgelegt: Der Versteifungsbeitrag durch räumliche Einschränkung wächst mit dem Kehrwert der dritten Potenz der Dicke, also mit 1/h³. Halbiert man die Dicke, steigt dieser Beitrag ungefähr um das Achtfache.

Warum dünner hier stabiler bedeutet

In gewöhnlichen Festkörpern bauen Atome Spannungen durch kollektive, sogenannte nichtaffine Bewegungen ab. Diese Ausweichbewegungen machen ein Material weicher. Wird ein Film nur wenige Atomlagen dünn, fehlt der Platz für viele dieser langwelligen Bewegungsmuster. Zaccone beschreibt es so: Bestimmte kollektive Verformungsmoden können in so dünnen Schichten schlicht nicht mehr existieren. Damit verschwinden Wege, über die das Material nachgibt, und der Film versteift sich.

Der Titel der Studie nennt die Messgröße: die Energie, die ein Projektil zum Durchdringen ultradünner Filme braucht. Als mögliche Anwendungen nennt der Bericht leichte, mechanisch robuste Materialien für flexible Elektronik, Beschichtungen und Bauteile im Nanomaßstab. Es handelt sich um eine theoretische Erklärung; ein fertiges Produkt gibt es daraus noch nicht.

Vakuumfluktuationen richten Quanten-Hall-Streifen aus

Eine zweite Juni-Studie zeigt, wie sich elektronische Ordnung in zweidimensionalen Systemen steuern lässt. Ein Team um Jérôme Faist und Giacomo Scalari von der ETH Zürich hat in Nature Physics berichtet, dass sich sogenannte Quanten-Hall-Streifen mit einem elektromagnetischen Resonator ausrichten lassen. Diese Streifen sind selbstorganisierte Muster, die Elektronen in einem zweidimensionalen Elektronengas in starkem Magnetfeld bilden. Entlang der Streifen fließt Strom fast ohne Widerstand, normalerweise liegen sie aber in zufälliger Richtung.

Die Forscher kühlten Galliumarsenid-Heterostrukturen auf unter 20 Millikelvin und koppelten sie an einen Resonator. Dessen polarisierte Vakuumfluktuationen drehten die Streifen senkrecht zur Polarisationsrichtung, was das Team auf ein Casimir-Drehmoment zurückführt. Die Ausrichtung blieb bis etwa zur doppelten Temperatur stabil, bei der andere Methoden versagen, und kommt ohne Energieverlust aus. Als Nächstes will die Gruppe die Streifen in Echtzeit drehen und den Ansatz auf Van-der-Waals-Materialien übertragen.

Scandium verlängert das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren wachsen an Katalysatorpartikeln aus Eisen, die während der Synthese nach und nach verklumpen und ihre Aktivität verlieren. Bei hohen Temperaturen geht das besonders schnell. Ein Team um Hisashi Sugime von der Kindai University in Japan hat in der Fachzeitschrift Carbon Scandium als Co-Katalysator getestet. Bei 800 Grad Celsius verlängerten Scandium, Erbium und Gadolinium die Lebensdauer des Katalysators gleichermaßen und ermöglichten zentimeterhohe Nanoröhren-Wälder. Bei 900 Grad blieb nur die Eisen-Scandium-Mischung rund 18 Minuten aktiv, die anderen beiden nach 7 bis 8 Minuten nicht mehr. Röntgenmessungen deuten darauf hin, dass Scandium das Eisen in einem stärker oxidierten Zustand hält. Als Anwendungen nennt die Universität Elektroden für leistungsfähigere Batterien und elektrochemische Biosensoren.

Nanomagnete steuern einen Diamant-Qubit

Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant gelten als Qubits, deren Spin sich optisch auslesen lässt. Bisher werden sie meist mit Drahtantennen angesteuert, deren Felder einen großen Bereich erfassen und einzelne Qubits schwer unterscheidbar machen. Forscher der Virginia Commonwealth University um Jayasimha Atulasimha haben in Nature Communications einen etwa 200 Nanometer großen Nanomagneten neben einen Diamant-Qubit gesetzt und ihn mit akustischen Wellen angeregt. Das veränderte gezielt den Quantenzustand des Qubits. Gezeigt wurde die Kontrolle eines einzelnen Qubits. Die Autoren sehen darin einen Weg zu dichter gepackten Qubits, schreiben aber selbst, dass die Umsetzung mit vielen Qubits auf einem Chip noch eine zentrale Herausforderung ist.

KI ergänzt fehlende Wasserstoffatome in Kristallstrukturen

Wasserstoffatome sind in der klassischen Röntgenbeugung kaum zu sehen, weshalb ihre Positionen in vielen bekannten Kristallstrukturen fehlen. Ein Team um Giovanni Pizzi vom Paul Scherrer Institut hat mit Kollegen aus Parma und Modena das quelloffene Modell XtalPaint entwickelt, eine Anpassung von Microsofts Generator MatterGen. XtalPaint lässt die bekannten Atompositionen unverändert und ergänzt nur die fehlenden Plätze, ähnlich wie Bildbearbeitungsprogramme Lücken in Fotos füllen. In Testfällen fand das Modell in 87 Prozent der Fälle die bekannten Wasserstoffpositionen wieder und in weiteren 10 Prozent Anordnungen, die energetisch stabiler waren, zusammen also 97 Prozent. Die Ergebnisse erschienen in npj Computational Materials; die Methode soll sich auch auf Lithium und Natrium übertragen lassen.

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Kinetyra