Geschüttelt, nicht gerührt werden in einem der Laboratorien des Dr. Bernd Smarsly Probenfläschchen mit einer schwarz-braunen Wasserlösung. Statt Metalloxide zu verwenden, wie beispielsweise Wolframoxid, Molybdän- oder Titanoxid, versucht Bernd Smarsly neue Wege zu gehen und Nanostrukturen aus Kohlenstoff herzustellen, dreidimensionale winzige schwammähnliche Kohlenstoffgebilde. Dazu wendet er einen Trick an: Tenside, wie wir sie aus Waschmitteln kennen. Diese Moleküle bestehen aus je einer wasserfreundlichen und einer wasserfeindlichen Seite.
Die wasserfeindlichen Seiten wenden sich vom Wasser ab, die wasserfreundlichen wenden sich dem Wasser zu und alle Tensidmoleküle bilden zusammen im Aggregatzustand eine locker zusammenhängende Masse. So entsteht bereits in der Flüssigkeit ein schwabbeliges schwammartiges Gebilde, zwischen dessen Hohlräumen sich durch das Schütteln die Nanoteilchen ausbreiten, in Bernd Smarslys Versuch sind es die Kohlenstoffteilchen, die übrig bleiben, wenn die formgebenden Tenside später durch Hitze weggebrannt werden:
"Diese kleinen Kohlenstoffeinheiten, die wir hier verwenden, die auf der Größenskala von fünf Nanometern sind, ordnen sich um diese Tensidaggregate herum an. Dann wird das Ganze verfestigt in einem nachfolgenden Arbeitsschritt und danach wird das Tensid weggebrannt und der Kohlenstoff bleibt zurück. Man kann sich vorstellen, dass dieses Verfahren dem Fotografieren entspricht: Man erzeugt ein Eins-zu-eins-Abbild der ursprünglichen Aggregatstruktur. Das heißt, das, was vorher Aggregat war, wird dann eine Pore. Und da diese Aggregate auf der Nanoskala sind, sind dann natürlich die Poren hinterher auch auf der Nanoskala. Und da wir eine sehr hohe Beladung haben, mit Aggregaten, bekommen wir eine sehr hohe Oberfläche von ungefähr tausend Quadratmeter pro Gramm: das heißt, aus einem Gramm fertigen Materials haben wir dann ein Fußballfeld voll Oberfläche."
Diese riesigen Oberflächen ermöglichen, zum Beispiel Solarelemente mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad herzustellen, als die heute üblichen. Die Leistung von Batterien und Akkus hängt ebenfalls ab von einer möglichst großen Oberfläche, sagt er, und glaubt, in den nächsten Jahren Akkus mit einer zehnfach höheren Lade- und Leistungssteigerung herstellen zu können. Doch die Nanostrukturen sind noch nicht so stabil, wie sie Bernd Smarsly gerne hätte. Um beispielsweise die hohen thermischen und mechanischen Belastungen eines Akkus zu bewältigen, sollten die Nanostrukturen am besten ungleichmäßig sein. Ungleichmäßige hierarchische Strukturen wie bei einem Baum garantieren höchste Stabilität. Nanostrukturen mit großen und kleinen Poren herzustellen, wäre zurzeit noch ebenso unmöglich wie die friedliche Koexistenz großer und kleiner Blasen beispielsweise in einem Schaum. Die großen Aggregate drängen immer die kleinen weg oder bereichern sich an ihnen. Ein Prinzip der Kolloidwissenschaft, das Bernd Smarsly jedoch versucht, zu umgehen:
"Es darf also nicht passieren, dass die großen und kleinen Aggregate in Konkurrenzkampf treten. Man muss das Ganze, wenn es möglich ist, zeitlich trennen, so dass sich zum Beispiel die großen Aggregate zuerst ausbilden und dann im zweiten Schritt die kleinen oder umgekehrt. Daran arbeiten wir im Moment durch die Verwendung neuer Prinzipien der Aggregatbildung und auch mit neuartigen Tensiden."
Welche das sind, wie die Versuchsanordnung aussieht, verrät er noch nicht, nur dass er und sein Team aus längst bekannten Stoffen durch spielerisches Herangehen immer wieder etwas Neues produzieren. Diese Experimentierfreudigkeit wurde heute belohnt mit dem Heinz Maier-Leibnitz-Preis.
Die wasserfeindlichen Seiten wenden sich vom Wasser ab, die wasserfreundlichen wenden sich dem Wasser zu und alle Tensidmoleküle bilden zusammen im Aggregatzustand eine locker zusammenhängende Masse. So entsteht bereits in der Flüssigkeit ein schwabbeliges schwammartiges Gebilde, zwischen dessen Hohlräumen sich durch das Schütteln die Nanoteilchen ausbreiten, in Bernd Smarslys Versuch sind es die Kohlenstoffteilchen, die übrig bleiben, wenn die formgebenden Tenside später durch Hitze weggebrannt werden:
"Diese kleinen Kohlenstoffeinheiten, die wir hier verwenden, die auf der Größenskala von fünf Nanometern sind, ordnen sich um diese Tensidaggregate herum an. Dann wird das Ganze verfestigt in einem nachfolgenden Arbeitsschritt und danach wird das Tensid weggebrannt und der Kohlenstoff bleibt zurück. Man kann sich vorstellen, dass dieses Verfahren dem Fotografieren entspricht: Man erzeugt ein Eins-zu-eins-Abbild der ursprünglichen Aggregatstruktur. Das heißt, das, was vorher Aggregat war, wird dann eine Pore. Und da diese Aggregate auf der Nanoskala sind, sind dann natürlich die Poren hinterher auch auf der Nanoskala. Und da wir eine sehr hohe Beladung haben, mit Aggregaten, bekommen wir eine sehr hohe Oberfläche von ungefähr tausend Quadratmeter pro Gramm: das heißt, aus einem Gramm fertigen Materials haben wir dann ein Fußballfeld voll Oberfläche."
Diese riesigen Oberflächen ermöglichen, zum Beispiel Solarelemente mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad herzustellen, als die heute üblichen. Die Leistung von Batterien und Akkus hängt ebenfalls ab von einer möglichst großen Oberfläche, sagt er, und glaubt, in den nächsten Jahren Akkus mit einer zehnfach höheren Lade- und Leistungssteigerung herstellen zu können. Doch die Nanostrukturen sind noch nicht so stabil, wie sie Bernd Smarsly gerne hätte. Um beispielsweise die hohen thermischen und mechanischen Belastungen eines Akkus zu bewältigen, sollten die Nanostrukturen am besten ungleichmäßig sein. Ungleichmäßige hierarchische Strukturen wie bei einem Baum garantieren höchste Stabilität. Nanostrukturen mit großen und kleinen Poren herzustellen, wäre zurzeit noch ebenso unmöglich wie die friedliche Koexistenz großer und kleiner Blasen beispielsweise in einem Schaum. Die großen Aggregate drängen immer die kleinen weg oder bereichern sich an ihnen. Ein Prinzip der Kolloidwissenschaft, das Bernd Smarsly jedoch versucht, zu umgehen:
"Es darf also nicht passieren, dass die großen und kleinen Aggregate in Konkurrenzkampf treten. Man muss das Ganze, wenn es möglich ist, zeitlich trennen, so dass sich zum Beispiel die großen Aggregate zuerst ausbilden und dann im zweiten Schritt die kleinen oder umgekehrt. Daran arbeiten wir im Moment durch die Verwendung neuer Prinzipien der Aggregatbildung und auch mit neuartigen Tensiden."
Welche das sind, wie die Versuchsanordnung aussieht, verrät er noch nicht, nur dass er und sein Team aus längst bekannten Stoffen durch spielerisches Herangehen immer wieder etwas Neues produzieren. Diese Experimentierfreudigkeit wurde heute belohnt mit dem Heinz Maier-Leibnitz-Preis.