Cluster als Materialbausteine - Erzeugung und Charakterisierung neuartiger Materialbausteine für die Nanotechnologie: Aufbau von Komponenten aus einzelnen Atomen und Molekülen bei tiefer Temperatur

Die Bedeutung der Nanotechnologie für die zukünftige Entwicklung technischer Produkte liegt nicht nur in der Verkleinerung von mechanischen oder elektronischen Baukomponenten in den Größenbereich von 1 nm bis 100 nm, entsprechend einer Anordnung von 10 bis 1000 Atomen in einer Reihe. Von größerer Bedeutung als die Einsparungen beim Platzbedarf durch eine solche Schrumpfung sind die quantenphysikalischen Effekte, durch die sich die thermischen, elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften eines Objektes mit seiner Größe ändern, selbst wenn es weiterhin aus den gleichen Elementen zusammengesetzt ist. Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und die Gesetze der Quantenmechanik regeln zum Beispiel, welche Spektralfarben ein aus bestimmten Elementen bestehendes Material absorbiert und ob dieses Material elektrischen Strom leitet oder nicht. Aus diesem Grund können Konzepte entwickelt werden, denen zufolge aus einem einzigen chemischen Element miniaturisierte elektrische Leiter, Isolatoren, Schalter, optische Lichtleiter und viele andere hergestellt werden können. Durch den Aufbau „Atom für Atom“ kann je nach Anordnung ein ferromagnetischer Baustein oder ein nichtmagnetisches Material entstehen. Auf diese Weise werden eines Tages u. U. Probleme des Mangels an bestimmten Rohstoffen, die für konventionelle Technologien notwendig sind, bewältigt werden können. Für die Präparation neuartiger Anordnungen und Verbindungen einzelner Atome sind zur Einschränkung der thermischen Beweglichkeit tiefste Temperaturen (d.h. möglichst nahe am absoluten Nullpunkt) notwendig. Die Diagnostik und die Messmethoden müssen in der Lage sein, den Einfluss jedes einzelnen Atoms auf die Gesamteigenschaften festzustellen. In den Labors des Projektleiters wurden in den letzten Jahren Methoden entwickelt, einzelne Atome und Moleküle in kalten superflüssigen Heliumtröpfchen zu isolieren, aus solchen einzelnen Atomen und Molekülen neue kalte Aggregate zu erzeugen und diese mit massen- und laserspektroskopischen Verfahren sowie Spinresonanzmethoden zu analysieren. Darüber hinaus stehen oberflächenphysikalische Messtechniken zur Verfügung. Im beantragten Projekt sollen kalte Cluster aus verschiedenen metallischen Komponenten präpariert und bei unterhalb der Temperatur von 1 Kelvin untersucht werden. Bei solch tiefer Temperatur geht es u. a. um die Formation starker magnetischer Dipolmomente, um Veränderungen elektronischer Strukturen und um die Manifestation von Supraleitung in kleinsten Metallbausteinen. Isolierte Nanocluster sollen nach den detaillierten Messungen aus dem Heliumtröpfchenstrahl heraus auf einer kalten Oberfläche deponiert werden. Die derart geschaffenen Oberflächenstrukturen sollen mittels Teilchenstreuung auf ihre Unterschiede zu Festkörperoberflächen gleichen Grundmaterials untersucht und mit deren verschiedenen Phasen verglichen werden. Die Wechselwirkung der kalten Cluster und der kalten Oberflächen mit molekularen Gasen wird im Hinblick auf den Einsatz für katalytische Verfahren getestet werden.