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01.11.06 Kolloidkristalle wechselwirken mit Licht und Schall

Ein Kristall schluckt Hyperschall

Mainzer Max-Planck-Forscher stellen erstmals Kristalle her, die mit Schallwellen und Licht gleichzeitig wechselwirken können

Eine Glasplatte, Silikonöl und Polystyrolkügelchen - aus diesen einfachen Komponenten haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz einen Kolloidkristall hergestellt, der Hyperschallwellen blockiert. Die Struktur des Materials ist so fein, dass es nicht nur mit hochfrequenten Schallwellen sondern auch mit Lichtwellen wechselwirkt. Den Forschern gelang es außerdem erstmals, mittels einer speziellen hochauflösenden Spektroskopiemethode Lage und Breite des Frequenzintervalls, das der Kristall schluckt, sehr genau zu vermessen. Materialien dieser Art könnte man verwenden, um Schallschilder, akustische Superlinsen oder Wärmebarrieren zu konstruieren.

Abb.1: Auf dieser elektronenmikroskopischen Aufnahme der Kolloidkristalloberfläche erkennt man die gleichmäßig nebeneinander angeordneten Polystyrolkugeln, deren Durchmesser 256 Nanometer beträgt.
Quelle: Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Ein Fenster, das das Rauschen der Autobahn konsequent aussperrt aber Vogelgezwitscher rein lässt - phononische Kristalle könnten das möglich machen. Solche Kristalle blockieren Schallwellen mit bestimmten Frequenzen, andere Frequenzen durchdringen das Material mühelos. Der Frequenzbereich, der den Kristall nicht passieren kann, heißt Bandlücke.

Bisher existierten lediglich phononische Kristalle mit Bandlücken für hörbaren Schall (20Hz bis 20 kHz) oder Ultraschall (20 kHz bis 100 MHz). Nun stellten Mainzer Forscher erstmals einen Kristall her, der Hyperschallwellen reflektiert, also Frequenzen im Gigahertzbereich. Da er aus unzähligen nanometergroßen Teilchen besteht, sogenannten Kolloiden, bezeichnet man ihn als Kolloidkristall. Damit erzielten die Wissenschaftler einen wichtigen Fortschritt bei der Erforschung von Bandlücken. "Viele der Effekt in solchen Materialien sind noch unerforscht", sagt Dr. Ulrich Jonas, der Projektleiter, "wir dringen hier in physikalisches Neuland vor."

Abb. 2: Schematische Darstellung der Vorgänge im Kolloidkristall. Das Material ist nur für bestimmte Wellenlängen undurchlässig (mittleres Bild), längere (rechts) oder kürzere (links) lässt es ungehindert passieren.
Quelle: Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Denn die kurzen Hyperschallwellen haben interessante Eigenschaften, die sie deutlich von ihren langen Verwandten unterscheiden. Anders als Schall- und Ultraschallwellen, die immer aus einer externen Quelle stammen, gehen Hyperschallwellen unter anderem aus der Wärmebewegung der Atome in dem Kristall selber hervor. Selbst Isoliermaterialien übertragen Wärme über akustische Wellen im Gigahertzbereich. Lässt sich die Bewegung dieser Wellen beeinflussen, wirkt sich das direkt auf die Wärmeleitfähigkeit aus. Diesen Effekt könnten hocheffektive Wärmebarrieren ausnutzen.

Außerdem verfügen Kristalle, die im Gigahertzbereich absorbieren, über Bandlücken für Licht und Schall. Man kann also gleichzeitig steuern, wie sich akustische und optische Wellen im Material fortsetzen und miteinander wechselwirken. Diese einzigartige Eigenschaft erlaubt es möglicher Weise, optische Modulatoren oder, etwas weiter in die Zukunft gedacht, akustische Laser zu entwickeln.

In phononischen Kristallen wechseln sich gleichmäßig Abschnitte mit hoher Elastizität und niedriger Elastizität ab. Der Schall ist so mal schneller und mal langsamer - stop and go für die Schallwellen. Das Material blockt Schallwellen ab, deren Wellenlänge etwa so lang ist, wie die Bereiche verschiedener Elastizität im Kristall voneinander entfernt sind. Für Bandlücken im Hyperschallbereich mit sehr kurzen Wellenlängen müssen Wissenschaftler deshalb ein periodisches Muster im Nanometermaßstab erzeugen, während für hörbaren Schall zentimetergroße und für Ultraschall millimeter- bis einige zehn mikrometergroße Strukturen reichen.

Im phononischen Kristall der Mainzer Forscher bilden nanometergroße Polystyrolkugeln (aus Polystyrol besteht auch Styropor) und Silikonöl die beiden Phasen mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten. Die winzigen Kugeln ordnen sich von selber regelmäßig auf einer Glasplatte an, während die Forscher sie aus einer wässrigen Suspension der Polystyrolkugeln ziehen. Anschließend trocknen die Wissenschaftler die Probe und benetzen sie mit Silikonöl. Indem sie die Kugelgröße oder die Benetzungsflüssigkeit verändern, können sie die Lage und Breite der Bandlücke gezielt einstellen.

Abb. 3: Herstellungsverfahren der Kolloidkristalle. Ganz links ist zu erkennen, wie sich die Polystyrolkugeln selbstständig anordnen.
Quelle: Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Um die Bandlücke zu vermessen, verwendeten die Wissenschaftler erstmals ein relativ neu entwickeltes Verfahren: die hochauflösende Brillouin-Spektroskopie, die auf der Streuung von Licht beruht. Mit dieser Technik konnten sie in außergewöhnlich hoher Auflösung messen, welche Schallwellen sich im nanostrukturierten Kristall ausbreiten können und welche nicht. Die hohe Messgenauigkeit schafft auch die Voraussetzung, um akustische Superlinsen für die hochauflösende Ultraschall-Bildgebung herzustellen.

Die Forscher haben also ein neuartiges Material mit einer Bandlücke im Hyperschall entwickelt und diese Bandlücke dazu noch mit bislang ungekannter Präzision vermessen. "Wir versuchen nun auch das Kugelmaterial zu variieren und mehrere Bandlücken herzustellen" gibt Dr. Jonas einen Ausblick, "damit wollen wir das Material an denkbare technische Anwendungen anpassen."

Quellen:

Observation and Tuning of Hypersonic Bandgaps in Colloidal Crystals
W. Cheng, J. Wang, U. Jonas, G. Fytas, N. Stefanou, Nature Materials, online: 3. September 2006

Colloidal Crystals go Hypersonic
E. L. Thomas, T. Gorishnyy, M. Maldovan, Nature Materials, Oktober 2006

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Ein Kristall schluckt Hyperschall
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2006nov/kolloidkristalle.shtm)

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