Einkristalle für die Forschung Kristallzucht in der Schädelschmelze

Temperaturen wie an der Grenze zum Erdkern – und das mitten in Berlin. In der Schmelzanlage der TU Berlin stellen Chemiker bei mehreren Tausend Grad Einkristalle aus hochschmelzenden Metallen her. Die Forscher nutzen ihre Einkristalle, um den Geheimnissen der Festkörper auf den Grund zu gehen und damit neue Erkenntnisse für den Bau von Brennstoffzellen und Batterien zu gewinnen.

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Berlin – Ein bis zwei Mal in der Woche geht es im alten Chemie-Gebäude der TU Berlin im wahrsten Sinne des Wortes heiß her. Bei bis zu 3000 °C werden durch ein Schmelzverfahren Kristalle gezüchtet. Diese Hitze ist nötig, um hochschmelzende Metalloxide wie Cerdioxid oder Zirconiumdioxid zu verflüssigen. Aus diesen stellt die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Martin Lerch, Leiter des Fachgebietes Anorganische Chemie/Festkörperchemie, wertvolle Einkristalle für die Grundlagenforschung her.

Kristallezüchten unter Extrembedingungen

Die Ausgangsmaterialien kommen in Pulverform in einen Tiegel, der aus 20 kupfernen Kühlstäben aufgebaut ist. Die Kühlstäbe werden mit Wasser durchströmt. Der Tiegel wird in eine Spule geschoben, die sich in einem aus Hochleistungsstahl bestehenden Kessel befindet. Für den Schmelzvorgang muss der Kessel verschlossen und der Hochfrequenzgenerator eingeschaltet werden. Er liefert das elektrische Wechselfeld, das Zirconiumdioxid bei etwa 2700 °C zum Schmelzen bringt. Das Aufschmelzen selbst dauert etwa 30 Minuten. Danach wird der Tiegel ganz langsam nach unten aus der Spule gezogen.

Während dieses Prozesses verfestigt sich das Material und Kristallsäulen wachsen von unten nach oben. Acht Stunden dauert dieser Vorgang. „Dann sind die Kristalle geboren“, sagt Gruppenleiter Lerch. Während des gesamten Prozesses werden pro Minute 330 Liter Kühlwasser durch die Anlage gepumpt.

„Kristallschädel“ für die Forschung

Dieses Verfahren, hochschmelzende Verbindungen in die flüssige Phase zu überführen und zum Kristallisieren zu bringen, nennt sich Skull-Schmelzen. „Skull“ ist das englische Wort für „Schädel“, da der Tiegelinhalt nach dem Prozess an die Form eines Schädels erinnert.

Lerch könnte aus den so produzierten Kristallen auch teuren Diamant-Ersatz herstellen lassen, aber als Forscher interessiert ihn das nicht. „Wir verfolgen in meiner Arbeitsgruppe einen speziellen Ansatz. Es wird versucht, Ionen in Festkörpern beweglich zu bekommen, die bislang als nicht mobil gelten. Wir wollen also neue Eigenschaften in Festkörpern generieren, die es bisher nicht gibt. Wir waren die Ersten, denen es gelang, zu zeigen, dass Stickstoff-Anionen in einem Festkörper bei hohen Temperaturen mobil sein können“, sagt Lerch. Möglich wurde dieser Nachweis nur mit den Einkristallen, die sein Team gezüchtet hatte.

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Prof. Dr. Martin Lerch über die Bedeutung von Einkristallen für die Grundlagenforschung

„Die Züchtung von großen Einkristallen ist unabdingbar für ein wirkliches Verständnis von Transportvorgängen in Festkörpern. Nur durch Untersuchungen an solchen Kristallen lassen sich Einflüsse ausschalten, die die Messungen an den sonst üblichen keramischen Proben verfälschen. Ohne Skull-Schmelzanlage sind geeignete Einkristalle von extrem hochschmelzenden Materialien praktisch nicht zu bekommen. Sie ist also von kaum zu überschätzender Bedeutung für unsere Grundlagenforschung an Brennstoffzellen, Sensoren und Batterien.“

Prozesse in Festkörpern besser verstehen

Das Kristallzüchtungslabor an der TU Berlin entwickelte Lerch zusammen mit einem Kollegen der Goethe-Universität Frankfurt am Main und der Firma Surface Net. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanzierte es 2006 in einem Verbundprojekt mit 350.000 Euro. „Unsere Aufgabe in dem Projekt war es, die Einkristalle herzustellen und sie dahingehend zu untersuchen, ob sie die richtige Zusammensetzung und Kristallstruktur haben. Wir benötigen sie für unsere Grundlagenforschung. Sie sind zum Beispiel für das tiefgehende Verständnis von Brennstoffzellen essenziell“, sagt Lerch.

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