Beherrschen Sie das Chaos, um Hochentropie-Keramik zu entwickeln

Die Natur strebt nach Chaos. Das ist ein schöner, tröstender Satz, wenn schon wieder eine Kaffeetasse über die Computertastatur gekippt ist und man sich einbildet, den zuckersüßen, milchigen Sud wieder in die Kaffeetasse zurückwünschen zu können – dort, wo er noch Sekunden zuvor war. Aber wünschen wird nicht funktionieren. Denn wie gesagt, die Natur strebt nach Chaos.

Wissenschaftler haben für diesen Effekt den Begriff Entropie geprägt – ein Maß für Unordnung. Nimmt die Störung zu, laufen in den meisten Fällen spontan Prozesse ab und der Weg zurück zur vorher herrschenden Ordnung ist versperrt. Siehe die verschüttete Kaffeetasse. Selbst Blockheizkraftwerke, die aus einem ordentlichen Holzhaufen oder einem Haufen Steinkohle über ihrem Kühlturm eine riesige Dampfwolke erzeugen, arbeiten entropiegetrieben. Bei vielen Verbrennungsprozessen nimmt die Unordnung dramatisch zu – und das macht sich der Mensch zunutze, indem er aus dem laufenden Prozess ein bisschen Energie in Form von Strom für eigene Zwecke zapft.

Kann Entropie etwas stabilisieren?

Kristalle gelten als das schiere Gegenteil von Unordnung. In einer Kristallstruktur sind alle Elemente des Gitters auf kleinstem Raum fein säuberlich dicht beieinander sortiert. Umso bizarrer ist die Vorstellung, Kristalle könnten durch die Kraft der Entropie stabilisiert werden und so eine neue Materialklasse schaffen.

Entropiestabilisierte Materialien sind ein noch junges Forschungsgebiet. Es begann 2004 mit sogenannten Hochentropielegierungen, Mischungen aus fünf oder mehr Elementen, die miteinander vermischt werden können. Gelingt die Mischung und sind alle Elemente homogen verteilt, ergeben sich mitunter besondere Eigenschaften, die nicht von den einzelnen Zutaten, sondern von deren Mischung herrühren. Wissenschaftler nennen das „Cocktail-Effekte“.

Auch in der Hitze herrscht das Chaos

Seit 2015 ist bekannt, dass auch Keramikkristalle durch die „Kraft der Unordnung“ stabilisiert werden können. So passen auch übergroße und winzige Elemente in den Kristall, die ihn normalerweise zerstören würden. Dem Empa-Forschungsteam ist es bereits gelungen, neun verschiedene Atome in einen Kristall einzubauen. Der Vorteil ist, dass sie auch bei hohen Temperaturen stabil bleiben – denn eine „Umordnung“ würde zu mehr Ordnung führen. Das natürliche Streben nach maximaler Unordnung stabilisiert so die ungewöhnliche Kristallstruktur – und damit das gesamte Material.

«Bei bis zu vier Komponenten im Kristall ist noch alles normal, ab fünf Komponenten verändert sich die Welt», erklärt Michael Stuer, Forscher in der Empa-Abteilung Hochleistungskeramik. Seit der in Luxemburg aufgewachsene Forscher 2019 an die Empa kam, arbeitet er auf dem Forschungsgebiet der Hochentropie-Kristalle. „Diese Materialklasse eröffnet uns viele neue Möglichkeiten“, sagt Stuer. „Wir können Kristalle stabilisieren, die sonst durch innere Spannungen zerfallen würden. Und wir können hochaktive Kristalloberflächen erzeugen, die es so noch nie gegeben hat, und nach interessanten Cocktail-Effekten suchen.“

Gemeinsam mit seiner Kollegin Amy Knorpp bricht Stuer nun ins Unbekannte auf. Die beiden sind Spezialisten für die Herstellung von feinem Kristallpulver und haben Kollegen an der Empa für die Röntgen- und Oberflächenanalyse, um die von ihnen hergestellten Proben genau zu charakterisieren. Mit ihrer Hilfe will Michael Stuer nun an der Spitze der internationalen Szene stehen. „Die Zahl der Veröffentlichungen zum Thema Hochentropie-Kristalle nimmt gerade sehr stark zu. Und da wollen wir von Anfang an dabei sein“, sagt der Forscher.

Wissensinseln

Was jetzt gefragt ist, sind Systematik, Fachwissen und eine gehörige Portion Durchhaltevermögen. Wo fängst du an? Welche Richtung nimmt man? „Momentan gibt es keine zusammenhängende Expertise, keinen Gesamtüberblick über dieses neue Forschungsgebiet“, sagt Stuer. „Verschiedene Forschungsgruppen auf der ganzen Welt arbeiten an begrenzten Projekten. So entstehen einzelne Wissensinseln, die in den nächsten Jahren zusammenwachsen müssen.“

Michel Stuer und Amy Knorpp konzentrieren sich auf katalytisch aktive Materialien. Die chemische Reaktion, an der sie interessiert sind, besteht darin, CO2 und Wasserstoff zu Methan zu verbinden. Ziel ist es, aus einem Treibhausgas einen nachhaltigen, speicherbaren Kraftstoff zu machen. „Wir wissen, dass CO2-Moleküle an bestimmten Oberflächen besonders gut adsorbieren und die gewünschte Reaktion dann leichter und schneller abläuft“, sagt Amy Knorpp. „Nun versuchen wir, entropische Kristalle herzustellen, auf deren Oberflächen solche hochaktiven Regionen existieren.“

Chemisches Fließband

Um schneller voranzukommen, haben die Forschenden mit Hilfe der Empa-Werkstatt ein spezielles Synthesegerät gebaut, in dem wie am Fliessband viele verschiedene chemische Mischungen nacheinander getestet werden können. Beim „Segmented Flow Tubular Reactor“ laufen kleine Bläschen durch ein Rohr, in dem die jeweilige Reaktion stattfindet. Am Ende werden die Blasen geleert und das enthaltene Pulver kann weiterverarbeitet werden.

„Der ‚Tubular Flow Reactor‘ hat für uns einen großen Vorteil: Alle Blasen sind gleich groß, weshalb wir immer ideale und gleichbleibende Randbedingungen für unsere Synthesen haben“, erklärt Stuer. „Wenn wir größere Mengen einer besonders vielversprechenden Mischung benötigen, produzieren wir einfach mehrere Blasen mit der gleichen Mischung nacheinander.“

Die Fenster auf der rechten Seite

Das Vorläuferpulver wird dann durch verschiedene Trocknungsprozesse in feine Kristalle der gewünschten Größe und Form umgewandelt. „Kristalle sind wie Häuser, sie haben geschlossene Außenwände und teilweise Fenster“, erklärt Michael Stuer. Manchmal weist die Form des Kristalls bereits auf die Fensterseite hin. Zum Beispiel, wenn eine Mischung nadelförmige Kristalle bildet. „Die langen Seiten der Nadel sind die energieärmeren. Da passiert nicht viel. Die Kristallkanten an den Spitzen der Nadeln hingegen sind hochenergetisch. Da wird es interessant“, sagt Stuer.

Für ihr erstes grosses Projekt haben sich die Empa-Forschenden mit Kollegen des Paul Scherrer Instituts (PSI) zusammengetan. In einem Versuchsreaktor untersuchen sie die mögliche Methanisierung von CO2 aus Biogasanlagen und Kläranlagen. Die PSI-Forschenden haben bereits Erfahrungen mit verschiedenen Katalysatoren gesammelt und stossen immer wieder auf ein Problem: Der Katalysator, an dessen Oberfläche die chemische Reaktion abläuft, wird mit der Zeit schwächer. Dies liegt daran, dass Schwefelbestandteile im Biogas die Oberfläche kontaminieren oder dass die Katalysatoroberflächen bei hohen Temperaturen einer chemischen Umwandlung unterliegen.

Hier suchen die Forscher mit entropischen Kristallen nach einem Durchbruch; schließlich zerfallen diese auch bei hohen Temperaturen nicht – sie werden durch Chaos stabilisiert. „Wir hoffen, dass unsere Kristalle dabei länger halten und möglicherweise widerstandsfähiger gegen Schwefelverschmutzung sind“, sagt Stuer.

Zeichnen einer Karte

Danach sind die Kristallspezialisten der Empa bereit für andere Herausforderungen wie Hochleistungsbatterien, supraleitende Keramiken oder Katalysatoren für Autoabgase und andere chemische Produktionsprozesse. „Es ist ein dunkler Wald, in den wir gehen“, sagt Amy Knorpp. „Aber wir haben eine Vermutung, in welcher Richtung etwas gefunden werden könnte. Jetzt zeichnen wir eine Karte dieser Systeme.

Ihre jüngsten Forschungsergebnisse sind in veröffentlicht CHIMIA.