Technologien im Zusammenhang mit dem grünen Übergang und der Digitalisierung erfordern enorme Mengen verschiedener chemischer Elemente. „Wir können nicht entscheiden, welche Elemente wir aus der Erdkruste innerhalb der EU finden können. Daher müssen wir neue Materialien aus den verfügbaren Elementen entwickeln“, erklärt der Seniorforscher Akseli Mansikkamäki.
Zum Beispiel müssen derzeit mehr als 70 verschiedene Elemente – das sind mehr als drei Viertel der natürlich vorkommenden Elemente – für die Herstellung eines Telefons benötigt. Mindestens die Hälfte davon wird von der Europäischen Union als kritische Rohstoffe aufgeführt. Dies macht die Branche, die Verteidigungstechnologie der EU und den Kampf gegen den Klimawandel von Ausland abhängig. Die geopolitische Instabilität verschlimmert diese Sicherheitsanfälligkeit weiter.
Die Forschungsgruppe von Manssikkamäki an der Universität von Oulu, Finnland, entwickelt Moleküle, die in zukünftigen Technologien eingesetzt werden könnten. Die Materialien, die aus solchen Molekülen konstruiert werden können, können verwendet werden, um kritische Rohstoffe zu ersetzen.
In einem kürzlich Studie veröffentlicht in Chemische Physik der physikalischen ChemieManssikkamäki und der Doktorforscher Anand Chekkottu Parambil untersuchten, wie magnetische Moleküle aus den sogenannten Hauptgruppen-Schwermetallen gebaut werden konnten. Diese Metalle umfassen Elemente wie Zinn, Blei und Wismut.
Sie sind in großen Mengen erhältlich, aber als Metalle sind sie nicht magnetisch und sie haben nicht viele Verwendungszwecke, beispielsweise in der Mikroelektronik. Aber als Teile von Molekülen können sie verwendet werden, um magnetische Materialien für zukünftige Komponenten zu konstruieren.
„Mit anderen Worten, wir versuchen, gewöhnliche chemische Elemente zu machen, die wir nie dachten, dass sie es tun könnten“, erklärt Manssikkamäki.
Das Entwerfen neuer Materialien ist die Grundlagenforschung an der Grenze zwischen Chemie und Physik
Die in Manssikkamäkis Forschungsgruppe durchgeführten Arbeiten sind Grundlagenforschung, die untersuchen soll, wie die für zukünftigen Technologien erforderlichen Eigenschaften in Moleküle und Materialien vermittelt werden können. In der an der Universität von Oulu durchgeführten Forschung wird Hochleistungs-Computing- und theoretische Methoden verwendet. Praktische Experimente werden in Zusammenarbeit mit kanadischen und britischen Forschungsgruppen durchgeführt.
Manssikkamäki erhielt seinen Doktorand in Chemie, arbeitet aber jetzt in der theoretischen Physik.
„Chemie und theoretische Physik sind keine sehr häufige Kombination, aber als pädagogischer Hintergrund ist es ziemlich optimal, wenn Sie verstehen möchten, wie Moleküle und Hochtechnologien miteinander verbunden sind“, sagt Mansikkamäki.
Heute sind Materialien, die auf neuen Arten von Molekülen basieren, noch in einem frühen Stadium der Entwicklung und praktische Anwendungen sind nur wenige. Das volle Potenzial dieser Materialien in zukünftigen Technologien wird immer noch entdeckt.
„Für die Zukunft unserer Gesellschaft ist es wichtig, dass die wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung neuer Materialien heute eingerichtet wird“, fasst Manssikkamäki zusammen. „In Anbetracht der Weltpolitik ist in Zukunft der Übergang zu Materialien mit höherer Entwicklung in der EU unvermeidlich.“
Weitere Informationen:
Akseli Manssikkamäki et al. Chemische Physik der physikalischen Chemie (2025). Doi: 10.1039/d4cp04790g