Nanomuster bringen Strom unter Kontrolle

Schematische Struktur von Natriumkobaltoxid

Auf atomarem Niveau hat Natriumkobaltoxid (NaxCoO) eine Struktur, in der sich Schichten aus Kobaltoxid mit solchen aus Natriumatomen abwechseln. Die Natriumatome sind in regelmäßigen Mustern angeordnet und bestimmen dadurch die elektrischen Eigenschaften des Materials. Sind beispielsweise die Natriumatome weit voneinander entfernt, kann jedes Atom Elektronen einfangen und so den Stromfluss behindern - die Substanz wird zum Isolator. Sind die Atome dagegen in Reihen angeordnet, wirken sie wie Drähte, so dass der Strom entlang einer Richtung fließen kann.

Professor Alan Tennant, vom Hahn-Meitner-Institut Berlin, von dem die Idee für die Arbeit stammt, erklärt, was genau passiert: "Die Elektronen, die für den Stromfluss verantwortlich sind, verhalten sich wie Wellen. Sie wollen ihre Wellenlänge einer regelmäßigen äußeren Struktur anpassen. Weil die genaue Dichte der Natriumatome ihre geometrische Anordnung bestimmt, kann man die Elektronen mithilfe der chemischen Zusammensetzung beeinflussen. Wären die Natriumatome zufällig verteilt, würden kleine Änderungen der Zusammensetzung den Strom in der Substanz kaum verändern."

Tennant meint, dass die Ergebnisse technologisch sehr wertvoll seien, denn "unsere Fähigkeit, den Elektronenfluss immer genauer zu steuern, macht den rasanten Fortschritt der Informations- und Kommunikationstechnologien erst möglich."

Verbesserte Festkörperbatterien haben vor allem iPods, Mobiltelefone und andere tragbare elektronische Geräte revolutioniert. Laptopbatterien bestehen heutzutage aus Lithium-Kobalt-Oxid - einer Substanz, die dem Natrium-Kobalt-Oxid sehr ähnlich ist. Man lädt sie, indem man die Konzentration der Lithium-Atome ändert. "Wir wissen, dass auch die Lithium-Atome in regelmäßigen Mustern angeordnet sind. Sie dürften ein ähnlich aufregendes Verhalten zeigen wie die Natrium-Verbindungen", sagt Tennant.

Natriumkobaltoxid könnte auch Grundlage effizienter thermoelektrischer Kühlsysteme sein, denn es erfüllt als eine von wenigen Substanzen die nötigen Bedingungen: sie leitet Wärme nur schlecht, ist aber ein guter elektrischer Leiter.

COMPAMED.de; Quelle: Hahn-Meitner-Institut Berlin GmbH