Die im Labor von Prof. Igor Lubomirsky am Weizmann Institute of Science hergestellte Keramik schien zu schön, um wahr zu sein. Sie gehört zu einer Klasse von Materialien, die das Rückgrat vieler wichtiger Technologien bilden, die aber leider auch ein Umweltproblem darstellen, da sie normalerweise hochgiftiges Blei enthalten.
Das Überraschende an der Weizmann-Keramik war, dass sie genauso gut funktionierte wie andere Materialien dieser Kategorie und dabei völlig ungiftig war. Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Naturkommunikation.
Das neue Material gehört zu einer Klasse von Substanzen, die sich bei Einwirkung eines elektrischen Felds verformen und dabei Dehnungen und Spannungen ausgesetzt sind, die in zahlreichen Geräten ausgenutzt werden, um winzige, präzise Bewegungen zu erzeugen.
Bei Mobiltelefonen etwa kann die leichte Verformung durch Spannung den Ladevorgang auslösen oder die Linse bewegen, um den Autofokus zu aktivieren. Bei industriellen Tintenstrahldruckern verbiegt sich bei angelegter Spannung eine Platte und spritzt eine kontrollierte Menge Tinte aus.
Materialien, die derartige Verformungen erfahren – sie werden je nach zugrunde liegendem Mechanismus als Elektrostriktoren oder Piezoelektrika bezeichnet – sind derzeit eine Hauptquelle der Bleiverschmutzung. Da elektrostriktive und piezoelektrische Komponenten in der Regel zu klein sind, um recycelt zu werden, landen regelmäßig Tonnen von Blei auf Mülldeponien.
Obwohl Blei in den meisten anderen Anwendungen der westlichen Welt mittlerweile nicht mehr verwendet wird, sind diese Materialien so unverzichtbar, dass ihre Verwendung weiterhin zulässig ist. Piezoelektrische Materialien beispielsweise stellen einen jährlichen globalen Markt von über 20 Milliarden Dollar dar.
Bisherige Versuche von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt, bleifreie elektrostriktive oder piezoelektrische Materialien herzustellen, waren nur mäßig erfolgreich: Einige sind chemisch zu reaktiv, andere zu schwierig herzustellen. Im Gegensatz dazu ist die Weizmann-Substanz – Ceroxid, das mit etwa 10 % Zirkonoxid versetzt ist – inert und einfach herzustellen.
Sein größter potenzieller Vorteil liegt jedoch vielleicht darin, dass es im Vergleich zu derzeit verwendeten Materialien die gleiche Verformung erzielen kann, dabei aber eine viel niedrigere Dielektrizitätskonstante aufweist. Das heißt, es speichert weniger elektrische Ladung, benötigt also weniger Energie, um die gleiche Arbeit zu verrichten.
Darüber hinaus sind die Ausgangsstoffe für die neue Keramik billig und leicht verfügbar. Sowohl Cer als auch Zirkonium kommen in der Erdkruste in relativ großen Mengen vor und werden auf der ganzen Welt für eine Vielzahl industrieller Anwendungen abgebaut. Ceroxid beispielsweise wird häufig in Pulverform zum Polieren von Linsen und als Katalysator in Abgaskatalysatoren verwendet, die die Schadstoffemissionen von Autos reduzieren.
Die Weizmann-Keramik könnte daher eine attraktive und umweltfreundliche Alternative zu bestehenden elektrostriktiven oder piezoelektrischen Materialien darstellen. Doch als Lubomirsky vor über einem Jahrzehnt mit der Forschung begann, die zu seiner Entdeckung führen sollte, hatte er noch keine praktischen Anwendungen im Sinn.
Sein Team hatte entdeckt, dass die mechanischen Eigenschaften von Ceroxid – in reiner Form und mit Verunreinigungen versetzt – unter bestimmten Umständen nicht dem klassischen Bild entsprachen. Der elektrostriktive Effekt war etwa 100-mal stärker als nach der vorherrschenden Theorie erwartet – immer noch zu gering, um von praktischem Nutzen zu sein, aber faszinierend. Das Team untersuchte ihn weiter.
Vor etwa drei Jahren führte Maxim Varenik, ein Doktorand in Lubomirskys Labor, ein Experiment durch, das verblüffende Ergebnisse lieferte. Er führte dreiwertige Verunreinigungen – Atome mit einer chemischen Wertigkeit von drei, das heißt mit drei Elektronen in ihrer äußeren Umlaufbahn – in Cer ein. Als er an die entstandenen Substanzen Spannung anlegte, bemerkte er ein interessantes, regelmäßiges Phänomen: Je kleiner die eingefügten Atome waren, desto größer war die Elektrostriktion.
Da die Zunahme der Elektrostriktion entlang einer so sauberen, geraden Linie erfolgt war, war er neugierig und wollte mit immer kleineren Atomen weiter experimentieren. Irgendwann gingen ihm jedoch die dreiwertigen Verunreinigungen aus; keine der kleineren, die er bereits ausprobiert hatte, ließ sich in Ceroxid lösen.
Varenik entschied sich dann, Zirkonium einzuführen, eine Substanz, die normalerweise in Katalysatoren verwendet wird, obwohl es in seiner äußeren Umlaufbahn vier statt drei Elektronen hat. Zu seinem und aller anderen Erstaunen stieg die Elektrostriktion des von ihm geschaffenen Materials nicht um eine Stufe an, wie dies bei den anderen experimentellen Materialien der Fall war. Sie schoss vielmehr um das 200-fache in die Höhe.
„Ungefähr zehn Jahre lang haben wir etwas untersucht, das wir für völlig nutzlos hielten – wir haben es nur aus wissenschaftlicher Neugier getan“, sagt Lubomirsky. „Jetzt haben wir plötzlich ein Material mit potenziellen technischen Anwendungen erhalten. Die Spannungen und Spannungen, die in ihm durch Spannung erzeugt werden, sind vergleichbar mit denen, die in den besten kommerziellen Materialien beobachtet werden.“
Neben der Erforschung der Eigenschaften, die ihre Keramik für den industriellen Einsatz attraktiv machen könnten, versuchen die Wissenschaftler in Lubomirskys Labor zu erklären, warum ihre elektrostriktiven Eigenschaften so weit von den klassischen Maßstäben abwichen. „Das ist kein Tier, das wir jemals in unserem Zoo gesehen haben“, sagt Lubomirsky.
Seit der Entdeckung dieser nichtklassischen Elektrostriktion hat Lubomirskys Team sie in Zusammenarbeit mit Prof. Anatoly Frenkel von der Stony Brook University untersucht, einem der weltweit führenden Experten für eine Art von Spektroskopie namens EXAFS. Vor kurzem wurde das Team bei dieser Forschung durch den Theoretiker Prof. Yue Qi von der Brown University unterstützt.
Doch ihre Aufgabe ist noch lange nicht beendet. „Wir verstehen noch immer nicht genau, was in diesem Material passiert“, sagt Lubomirsky, „aber gerade das macht es so interessant.“
Weitere Informationen:
Maxim Varenik et al., Bleifreie Zr-dotierte Ceroxidkeramik mit niedriger Permittivität und enormer Elektrostriktion, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43032-5