Samstag, 04 Dezember 2021 08:00

Die Entropie schafft Ordnung

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Lichtmikroskopische Aufnahme von großen, kubischen Supergittern. Solche aus Nanokristallen gebildete Struktuen eignen sich möglicherweise für den Einsatz als hoch energieeffiziente, ultraschnelle Lichtemitter. (Bild: Empa)

Ein internationales Team unter Leitung von Empa- und ETH-Forschern „spielt“ mit 3D-Bausteinen im Nanobereich, die bis zu 100-mal größer sind als Atome und Ionen. Und obwohl zwischen diesen Nano-„Legosteinen“ ganz andere, viel schwächere Kräfte wirken als jene, die Atome und Ionen zusammenhalten, bilden sie ganz von selbst Kristalle, deren Strukturen natürlichen Mineralien gleichen.

Würfelförmige Nanokristalle, wie z.B. kolloidale Cäsium-Bleihalogenid-Perowskit-Nanokristalle, gelten seit ihrer erstmaligen Herstellung durch dasselbe Forschungsteam vor rund sechs Jahren als einige der hellsten bisher entwickelten Lichtstrahler. Insbesondere zeigen sie Superfluoreszenz, das heißt, sie strahlen das Licht kollektiv und viel schneller ab, als es dieselben Nanokristalle in ihrem herkömmlichen Zustand, als Flüssigkeit oder als Pulver, tun können.

Diese hochgradig geordneten Strukturen entstehen allein durch die Kraft der Entropie, also dem ewigen Bestreben der Natur, maximale Unordnung hervorzurufen. Dieses paradoxe Verhalten kommt zustande, weil die Teilchen während der Kristallbildung dazu neigen, den Raum um sich herum möglichst effizient zu nutzen, um ihre Bewegungsfreiheit in den späten Phasen der Lösungsmittelverdampfung zu maximieren, kurz bevor sie in ihrer späteren Kristallgitterposition „fixiert“ werden. Diese neuen Megakristalle oder Supergitter zeigen einzigartige Eigenschaften und könnten eine neue Ära in der Materialwissenschaft einläuten.