Kristallwachstum im Vakuum – Perfekte Kristalle aus schwebenden Tropfen

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Lasst sie schweben – das ist die Idee bei dem Projekt „Perfektionierung von Metallkristallen“, das von der University of Twente geleitet wird. Denn Kristalle, die während ihres Wachstums keinen mechanischen Stress erfahren, verfügen über eine deutlich höhere Qualität. Ganz schön abgehoben also – im besten Sinne.

Die Forscher wollen die Kristalle „schwebend“ wachsen lassen. Das geschmolzene Metall, aus dem die hochreinen Kristalle gewonnen werden, schwebt dank eines elektromagnetischen Feldes in einem Vakuum. Durch dieses elektromagnetische Schweben erfährt das Material keinen Druck von den Wänden her. Defekte am Kristall werden so auf ein Minimum reduziert. Das erwarten die Forscher der University of Twente und der Universität Leiden, die jetzt für das Projekt „Perfektionierung von Metallkristallen“ von der Technologiestiftung STW ausgezeichnet werden.

Kristallwachstum im Vakuum: schematischer Versuchsaufbau (Quelle: Uni Twente)
Kristallwachstum im Vakuum: schematischer Versuchsaufbau (Quelle: Uni Twente)

Kristalle mit hervorragenden Eigenschaften werden beispielsweise in der Halbleiterindustrie verwendet oder in Teilchenbeschleunigern eingesetzt. Das Unternehmen „Surface Preparation Laboratory“ (SPL) von Raoul van Gastel von der University of Twente ist Weltmarktführer auf dem Gebiet der Kristalloberflächen von höchster Qualität. Die Forscher arbeiten mit diesem Unternehmen eng zusammen.

Keine Verunreinigung
Die übliche Technik für das Kristallwachstum sieht so aus: Das Material wird in einem Schmelztiegel erhitzt, bis es flüssig ist. Anschließend wird eine etwas kältere Stange mit einem Kristallkeim in die Flüssigkeit eingetaucht und ebenda expandiert das Metall in fester Form, in Kristallen.

Durch die Wände des Schmelztiegels erfährt das Material allerdings Stress und das Material des Tiegels hinterlässt Spuren. Dabei kann eine Kontamination mit Kohlenstoff auftreten, erläutert Forscher Arie van Houselt von der Gruppe Physik der Grenzflächen und Nanomaterialien der University of Twente (MESA und Institut für Nanotechnologie).

Elektromagnetische Variante
Die Hinwendung zu „schwebendem Wachstum“ ist vielversprechend, aber nicht selbstverständlich. Die Kunst besteht darin, die Flüssigkeit schwebend zu halten. In der Flüssigkeit wächst dann der Keim des neuen Kristalls. Es wird als Ganzes aus dem
Vakuumsystem extrahiert.

Schwebende Tropfen durch elektrostatische Levitation – die Ultraviolettquelle stellt sicher, dass das Metall ionisiert wird. Durch die elektrische Ladung kann es unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes schweben. Der Laser lässt das Metall schmilzen und durch den Positionssensor wird der schwebende Tropfen an seinem Platz gehalten. Für die angestrebten Kristallgrößen bei dem neuen Projekt genügt die elektrostatische Levitation wahrscheinlich nicht. Daher fällt die Wahl auf die elektromagnetische Variante.

off. PM der Universität Twente

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.