In der Materialwissenschaft muss es nicht immer ganz sauber und kontrolliert zugehen: In sogenannten „Hoch-Entropie-Materialien“ verwendet man mehrere unterschiedliche Atomsorten, die sich durchmischen und ohne festgelegtes Muster recht zufällig anordnen. Genau durch diese Zufälligkeit kann man ganz bestimmte erwünschte Materialeigenschaften erzielen.

Bernhard Bayer möchte diese Erkenntnisse nun mit seinem Team an der TU Wien auf die Wissenschaft der 2D-Materialien übertragen – also auf ultradünne Schichten anwenden, die nur aus einer oder aus wenigen atomaren Lagen bestehen. Diese Kombination von Hoch-Entropie-Materialien und 2D-Materialien gab es bisher noch nicht, für Elektronik oder neuartige Katalysatoren eröffnet die Technik interessante neue Möglichkeiten. Um diese Idee umzusetzen wurde Bernhard Bayer nun mit einem ERC Consolidator Grant ausgezeichnet, dotiert mit 2 Millionen Euro – einer der höchstdotierten und prestigeträchtigsten Förderungen der europäischen Forschungslandschaft.

Atomsorten mischen

Verschiedene Atomsorten zusammenzufügen um neuartige Materialeigenschaften hervorzurufen ist nichts Neues: Seit Jahrtausenden stellt man gezielt metallische Legierungen her, und in der Halbleiterindustrie werden verschiedene Materialien dotiert, also mit einzelnen Fremdatomen versehen, die das elektronische Verhalten des Materials grundlegend verändern. Viele Werkstoffe bestehen aus ein oder zwei Grundelementen, denen man dann durch kleine Mengen von Zusätzen passende Eigenschaften verleiht – etwa Stahl, der aus Eisen mit geringem Kohlenstoffanteil besteht.

Neu ist aber „Entropy engineering“, das heute sowohl bei metallischen Legierungen als auch bei keramischen Werkstoffen zum Einsatz kommt. Dabei werden mehrere unterschiedliche chemische Elemente in ähnlicher Menge kombiniert. Es gibt keine dominierende Atomsorte mehr, in die alle anderen eingebettet sind, sondern die gesamte Struktur ist ein eher unordentlich wirkender Mix aus verschiedenen chemischen Elementen.

„Genau dadurch lassen sich neue funktionale Eigenschaften erzielen“, sagt Bernhard Bayer. „Man erzeugt dadurch Materialien mit sehr hoher innerer Entropie, die einzelnen Positionen im Kristallgitter sind zufällig mit unterschiedlichen Atomen besetzt, und genau dadurch können wir Konfigurationen stabilisieren, die neue Materialeigenschaften ermöglichen.“

Ultradünne Schichten

Gleichzeitig wurden in den letzten Jahren auch große Erfolge mit sogenannten 2D-Materialien erzielt, wie etwa Graphen, das nur aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Bernhard Bayer will diese beiden zukunftsträchtigen Forschungsbereiche nun vereinen und Hoch-Entropie-2D-Materialien herstellen.

„Zusätzlich wollen wir Prozesse wie Diffusion oder Kristallisation in solchen Hoch-Entropie-Materialien durch die 2D-Struktierung erstmals mittels hochaufgelösten Mikroskopie-Verfahren sichtbar machen und untersuchen“, sagt Bernhard Bayer. Dadurch soll herausgefunden werden, wie sich solche Materialien etwa für Elektronik nutzen lassen, oder als Katalysatoren, die bestimmte chemische Reaktionen ermöglichen.

Graz, Cambridge, Wien

Bernhard C. Bayer studierte zunächst an der TU Graz, danach ging er an die Universität Cambridge, wo er sein Masterstudium abschloss und danach auch promovierte. Mit einem prestigeträchtigen Marie-Sklodowska-Curie-Fellowship der Europäischen Kommission wechselte er 2014 zurück nach Österreich und forschte an der Fakultät für Physik der Universität Wien. 2017 schließlich kam er an die TU Wien, wo er als Nachwuchsgruppenleiter am Institut für Materialchemie sein eigenes Forschungsteam aufbauen konnte.

Rückfragehinweis

Dr. Bernhard C. Bayer
Institut für Materialchemie
Technische Universität Wien
+43 1 58801 165 228
bernhard.bayer-skoff@tuwien.ac.at
Website: www.nanobayer.com, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster
Twitter (@nanobayer): https://twitter.com/nanobayer, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Aussender:
Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
Resselgasse 3, 1040 Wien
+43 1 58801 41027
florian.aigner@tuwien.ac.at