Nano-Komposition:
Neues Projekt beleuchtet Eigenschaften von Molekül-Clustern

Nanotechnologische Entwicklungen von heute bestimmen die Produkte von morgen: An der TU Graz beschäftigen sich Experimentalphysiker mit der Frage, welche quantenmechanischen – thermischen, elektrischen, magnetischen sowie optischen – Eigenschaften Molekül-Cluster im Nanobereich besitzen. Durch die genaue Analyse einzelner Atomketten können Erkenntnisse gewonnen werden, um in Zukunft neue Materialbausteine im Nanobereich zu kreieren. Dazu wird im Rahmen eines im Februar gestarteten und auf drei Jahre anberaumten Forschungsprojektes eine von der Projektgruppe entwickelte Methode eingesetzt. Finanziert wird diese mit rund 770.000 Euro dotierte Grundlagenforschung zu fünfzig Prozent vom Wissenschaftsressort des Landes Steiermark; die andere Hälfte kommt aus dem EU-Fonds „Regionale Entwicklung“.

Die atomare Struktur eines Stückes Metalls von zehn Zentimetern Länge ist in der Regel gut bekannt. Es besitzt bestimmte elektrische und magnetische Eigenschaften, die durch einfache Analysen sichtbar werden. Anders, wenn man sich im Nanobereich bewegt: Je kleiner die Strukturen, desto wichtiger und zugleich schwieriger wird es für die Wissenschafter die quantenmechanischen Eigenschaften eines Molekülensembles zu eruieren. Doch mit einem neuartigen Verfahren und mit Hilfe einer „Cluster-Strahl-Apparatur“ ist die Forschungsgruppe rund um den TU-Physiker Wolfgang Ernst, Leiter des Instituts für Experimentalphysik, nun in der Lage einzelne Atome und Moleküle in kalten superflüssigen Heliumtröpfchen bei unter 1 Kelvin, also einer Temperatur von weniger als einem Grad über dem absolutem Nullpunkt, zu isolieren.

Bildung neuer Aggregate

„Das kalte Helium wird unter hohem Druck, rund 80 Bar, in ein Vakuum ‚gedrückt’. Dann werden die Tröpfchen mit einem bestimmten Stoff angereichert. In den Tröpfchen bilden sich aus einzelnen Molekülen und Atomen neue kalte Aggregate, die dann einen Kontrolllaser und ein Magnetfeld passieren“, erklären Ernst und sein Assistent Markus Koch den Vorgang des Experiments. Die kalten Aggregate werden dann mit massen- und laserspektroskopischen Verfahren und einer Spinresonanzmethode analysiert. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen schließlich dazu, neue Bausteine zu schaffen. Nützlich sein kann diese Technologie künftig unter anderem für die Entwicklung von Materialien für die Datenspeicherung. In einem ganz anderen Bereich – der Astrophysik – dient sie der Erklärung der Entstehung von Molekülen an kalten Staubteilchen im Weltall.

Das Projekt zeigt einmal mehr die Stärke der Materialwissenschaften in der Steiermark, besonders vertreten durch eines der Kompetenzfelder der TU Graz, „Advanced Materials Science“.