Ein Universum an Möglichkeiten
Bei seiner Antrittsvorlesung am 28. Januar 2016 referierte Prof. Dr. Marc Armbrüster über das chemische Potential intermetallischer Verbindungen
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Die Natur von intermetallischen Verbindungen: Führt man Wärme zu, reagieren die Elemente Nickel und Aluminium zu intermetallischen Verbindungen, wie Prof. Dr. Marc Armbrüster bei seiner Antrittsvorlesung demonstrierte. Foto: Andy Schäfer
„Auch Leute von weiter weg haben heute hierher gefunden, das freut mich sehr!“, stellte Prof. Dr. Marc Armbrüster bei einem Blick durch die Reihen im Alten Heizhaus fest. Unter denen, die sich am späten Nachmittag des 28. Januar 2016 im Innenhof der Chemnitzer Universität eingefunden haben, waren neben Kollegen aus Dresden auch der Dekan der Fakultät für Naturwissenschaften, Prof. Dr. Michael Mehring, der die Eröffnungsrede anlässlich der Antrittsvorlesung von Prof. Armbrüster hielt und dabei seine akademischen Verdienste würdigte. Der Chemiker sollte an diesem Abend über „Spannende Eigenschaften intermetallischer Materialien“ referieren, ein Thema, mit dem sich der Inhaber der Professur Materialien für innovative Energiekonzepte schon seit über 15 Jahren intensiv beschäftigt. Allgemein formuliert sollte dabei der Frage nachgegangen werden, was passiert, wenn zwei und mehr Metalle miteinander reagieren. Hierbei sei jedoch zunächst eine Definition notwendig, was man überhaupt unter intermetallischen Verbindungen versteht. Prof. Armbrüster zeigte drei typische Fälle auf und inwiefern sich diese zum intermetallischen Verbund unterscheiden. Schmilzt man zum Beispiel Aluminium und Blei zusammen, so vermischen sich beide Elemente nicht, bilden also keine Verbindung aus. Ganz anders sieht es bei Gold und Silber aus – hier entsteht eine Legierung, die sich von einer intermetallischen Verbindung insofern unterscheidet, dass sie die Kristallstruktur der Elemente beibehält. Die homogene Schmelze von Kobalt und Germanium steht als Exempel für die Ausbildung intermetallischer Verbindungen beim Abkühlen, die eine andere, geordnete Kristallstruktur ausbilden. Zur Anschauung reichte der Chemieprofessor seinen Zuhörern komplexe Strukturmodelle.
Warum aber bilden intermetallische Verbindungen eine unterschiedliche Kristallstruktur aus? Das liegt, so Prof. Armbrüster, in ihren chemischen Bindungen begründet, die kovalent und/oder ionisch seien können und mit einer Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit einhergehen. Es entsteht eine neue Anordnung der Atome, die mit einer neuen elektronischen Struktur und damit auch mit neuen Eigenschaften einhergeht. So ändern sich beispielsweise die katalytischen Eigenschaften des Elements Palladium im Metallverbund. Generell lassen sich nun Elemente gezielt auswählen, deren Eigenschaften, die sie in der intermetallischen Struktur aufweisen, von Nutzen seien können. Folglich lassen sich verschiedene Anwendungen damit realisieren. Neben dem Amalgam im zahnmedizinischen Bereich und den Turbinenschaufeln eines Flugzeugs, zeigen sich intermetallische Verbindungen auch bei den sogenannten Shape Memory Compounds. In einem Experiment zeigte Prof. Armbrüster das Wirkprinzip dieser Technik auf, indem er einen aufgewickelten Draht durch Erwärmen zurück in seine ursprüngliche Form biegen ließ. Das Metall hat sich in diesem Fall an seine ursprüngliche Gestalt „erinnert“. Ebenfalls experimentell demonstrierte der Forscher den thermoelektrischen Effekt, bei dem Strom durch einen Wärmeunterschied generiert wird. Das chemische Potential, fasste Prof. Armbrüster zusammen, ließe sich für spezifische Anwendungen mit dem Einsatz der intermetallischen Verbindungen fein einstellen. Intermetallische Verbindungen bieten so eine einzigartige Kombination einer Kristall- und Elektronenstruktur. Bezüglich der physikalischen Eigenschaften ist dies bereits gut erforscht, allerdings steckt die Untersuchung der chemischen Eigenschaften noch in den Kinderschuhen.
Wie kann man also die chemischen Eigenschaften dieser Verbindungen nutzbar machen? Hier schließt sich die wissensbasierte Materialentwicklung an. Darunter fallen Verfahren der Synthese und Charakterisierung von intermetallischen Verbindungen, die anschließend in katalytischen Reaktionen wie der Methanol-Dampfreformierung, der Semi-Hydrierung von Acetylen sowie die Elektrokatalyse getestet werden. Effekte dieser neuen Ansätze zur Optimierung chemischer Eigenschaften sind ein tieferes Verständnis, geometrische und elektrische Flexibilität und eine hohe Strukturstabilität. Ziel ist es, so mit Hilfe der intermetallischen Verbunde innovative Materialien zu entwickeln. Motivation hierfür ist beispielsweise die Energiewende. Um mehr erneuerbare Energien zu etablieren, welche die fossilen Energieträger schrittweise ersetzen sollen, können neue Erkenntnisse aus der Chemie hilfreich sein. Prof. Armbrüster führte dazu die Problematik der Speicherung von Sonnenenergie und die in Deutschland begrenzte Nutzung von geothermalen Energien an, um zu argumentieren, dass man mit aus Wasserstoff synthetisiertem Methanol ebenso chemisch Energie speichern kann. Damit wäre eine neue Perspektive im Energiesektor geboten. Jedoch fällt bei der Methanol-Dampfreformierung zur Freisetzung des chemisch gebundenen Wasserstoffes zu viel Kohlenstoffmonoxid an, wodurch die direkte Nutzung in Brennstoffzellen nicht möglich ist. Die Lösung sind hier Materialien, die eine hohe katalytische Selektivität aufweisen. Zum Einsatz können hier kupfer- beziehungsweise platin- oder palladiumbasierte Katalysatoren kommen, die ihrerseits Vor- und Nachteile aufweisen. Am Ende stehen wieder die intermetallischen Verbindungen, die sich durch eine Komplexität auf der Oberfläche und im Material selbst auszeichnen. Bei der intermetallischen Verbindung Zinkpalladium, die der Professor fortan betrachtete, sind einige der typischen Metalleigenschaften verloren gegangen. Der Stoff ist zum Beispiel aufgrund der gebildeten kovalenten Bindungen spröde und kann so zu Pulver verarbeitet werden. Diesen Prozess veranschaulichte Prof. Armbrüster auch in einem Live-Experiment.
Des Weiteren führte Prof. Armbrüster aus, dass die chemischen Potentiale der Elemente sich in den Verbindungen mit der Zusammensetzung ändern. Zinkpalladium und Zinkoxid sind so im Team ein guter Katalysator, der an Aktivität und Selektivität gewinnt. Für die Industrie sei dies, laut dem Chemieprofessor, jedoch aus Kostengründen wenig nutzbar. Nun stellt sich also die Frage, wie die Forschung auf Anwendungsrelevanz ausgerichtet werden kann. Dies funktioniere über den Gebrauch von Nanopartikeln. Zusammenfassend lässt sich somit sagen, dass intermetallische Verbindungen der wissensbasierten Weiterentwicklung und Fundamentlegung einer innovativen Materialforschung dienen. „Wir stehen erst am Anfang und das ist total spannend“, teilte Prof. Armbrüster seine Faszination mit den Gästen seiner Antrittsvorlesung. Darauf aufbauend erklärt er abschließend, auch in Hinsicht auf die vielen deutschlandweiten und internationalen Kooperationen, die seine Professur im Zuge ihrer Forschung eingegangen ist: „Wir würden gerne alles wissen, denn nur wer alles weiß, der kann auch etwas Neues entwickeln.“
Zur Person: Prof. Dr. Marc Armbrüster
Marc Armbrüster hat seit Oktober 2014 die Professur Materialien für innovative Energiekonzepte an der Fakultät für Naturwissenschaften inne. Bis 2001 studierte er Chemie an der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Philipps-Universität Marburg. Nach der Promotion an der TU Dresden (angefertigt am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden) arbeitete er ab 2004 als Postdoc am Fritz Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin. Es folgte eine ebenfalls zweijährige Postdoc-Tätigkeit an der University of Cambridge (Großbritannien). Seit 2009 war er leitender Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden; 2014 habilitierte er sich an der dortigen TU. Den Schwerpunkt der Forschungsarbeiten an der TU Chemnitz bildet die wissensbasierte Entwicklung innovativer Katalysatormaterialien auf Basis intermetallischer Verbindungen mit dem Fokus „Energiekonversion“.
Weitere Informationen: https://www.tu-chemnitz.de/chemie/mc/
(Autor: Andy Schäfer)
Katharina Thehos
29.01.2016
