Ludwig-Maximilians-Universität München
print

Links und Funktionen
Sprachumschaltung

Navigationspfad


Inhaltsbereich

Physikalische Chemie

Lichtgestalten

München, 01.06.2013

Poren, Kanäle, Waben: Mit den Techniken der Nanowissenschaft lässt Thomas Bein neuartige Material-Architekturen entstehen, die Solarzellen und Energiespeicher der Zukunft effizienter machen sollen.

Am Elektronenmikroskop: Thomas Bein und Mitarbeiter auf der Suche nach maßgeschneiderten Nanostrukturen. Foto: Jan Greune

Es ist eine Reise in eine fantastische Welt. Da wandern Löcher durch den Raum, da türmen sich winzige Moleküle fast wie von selbst zu dreidimensionalen Waben auf. Da werden Mini-Fußbälle in sechseckigen Waben gefangen. Und am Ende fließt durch die Wände dieser Waben sogar Strom.

Zugegeben, man muss sich schon ein wenig hineindenken in diese Nanowelt und ihre Gesetze, muss sich einlassen auf die Vorstellung von wandernden Elektronen und ultrakleinen Poren, auf Begriffe wie Rauigkeit und Aktivierungspotenzial. Und man muss wissen, dass die großen Erfolge meist überdecken, wie mühsam die tägliche Arbeit an der Nanowelt ist. „Es gehört einfach dazu, dass wir manchmal monatelang in unseren Forschungen kaum vorwärtskommen“, sagt Thomas Bein, Lehrstuhlinhaber für Physikalische Chemie an der LMU. Doch wenn den Grundlagenforschern ein Durchbruch gelingt, dann wirkt diese kleine Welt plötzlich so, als ließen sich in ihr die Probleme der großen Welt lösen mit ihrem schier endlosen, unstillbaren Energiehunger.

Die große Welt draußen braucht offenbar dringend neue, manchmal unglaublich klingende Ideen und Erfindungen aus der Nanowelt. Beins Forschergruppe beispielsweise arbeitet an nur 50 bis 100 Millionstel Millimeter großen, mit feinen Poren durchzogenen „Nano-U-Booten“, die Wirkstoffe aufnehmen und gezielt zu Tumorzellen transportieren können. Daneben steht vor allem die Forschung an Energiequellen und –speichern der Zukunft im Vordergrund. Sie sollen die Welt endgültig ins Zeitalter der erneuerbaren Energien führen. Der Bedarf, Energie aus der Sonne oder Windkraft effizient zu gewinnen und speichern zu können, ist enorm. Und so ist es kein Wunder, wenn jeder Schritt in eine vielversprechende Zukunft mit großer Aufmerksamkeit begleitet wird. Für seine Arbeiten bekam Bein eine millionenschwere Förderung des Europäischen Forschungsrates (ERC) zugesprochen.

Kontrolliertes Wachstum
Thomas Bein ist ein Architekt der Nanowelt, der Chemiker forscht an kristallinen Strukturen, die er kontrolliert wachsen lässt und formt. So ist es seiner Arbeitsgruppe in Kooperation mit dem Chemiker Paul Knochel kürzlich gelungen, aus zwei molekularen Bausteinen eine dreidimensionale lichtempfindliche Wabenstruktur im Nanomaßstab zu bauen. Speziell designte Moleküle sammeln sich und ordnen sich wie von selbst in einem kristallinen Muster an. In die Waben selbst lassen sich wie in einem Papierkorb winzige Fullerene einfangen, Mini-Fußbälle aus Kohlenstoff, „Fullerene sind sehr gute Elektronenleiter“, sagt Bein. Gleichzeitig ist aufgrund ihrer Kugelform die Richtung dieses Ladungstransfers nicht vorgegeben. Beins Gruppe hat bewiesen, dass sich mit diesem Prinzip sogar eine Solarzelle bauen lässt. „Die Zelle ist noch nicht sehr wirkungsvoll“, sagt Bein. „Aber das Grundkonzept konnten wir hiermit erstmals demonstrieren, und wir wissen nun wie wir sie weiter verbessern können.“

Jetzt wollen die Forscher das nutzbare Licht aus dem ultravioletten Bereich mehr ins Sichtbare verlagern. Das sei prinzipiell möglich, so Bein. Man arbeite mit den weltbesten Molekül-Designern zusammen, die neue Bausteine für die sechseckigen Waben entwickeln sollen. „Manchmal dauert es ein halbes Jahr, um nur ein passendes Molekül erfolgreich zu synthetisieren“, erzählt Bein. Fände man die geeigneten Stoffe, ließen sich daraus vielleicht neue ungiftige und auch billige Solarzellen auf Farbstoff- statt auf Halbleiterbasis herstellen, für die man nicht mehr wie bisher seltene und oftmals giftige Rohstoffe braucht.

Was also oft so einfach und faszinierend klingt, ist aufwendige Grundlagenforschung. Thomas Bein geht es darum, synthetische Nanostrukturen gezielt und präzise herzustellen. Das ist seine Spezialität, die er auf viele Anwendungsbereiche übertragen kann. Wer auf Nano-Ebene den Aufbau und die räumliche Ordnung von Materialien kontrollieren kann, ist auch in der Lage, bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften zu erhalten; ob es dabei um Farbstoffe geht, die Licht absorbieren können, oder Schwefel-Moleküle, die Batterien leistungsfähiger machen – die Basis ist immer die Nanostruktur. Hierbei werden in geeigneter Weise schwache molekulare Wechselwirkungen und chemische Bindungen kombiniert, um die gewünschte Nanostruktur zu erzeugen. Ziel dabei ist es, die makroskopischen Eigenschaften von Systemen zu verbessern.

Beiträge zur Energiewende
Eine neue preiswerte Technik etwa für eine ungiftige und wirkungsvolle Solarzelle könnte einen großen Beitrag zur dringend nötigen Energiewende leisten. Auch deshalb fördert derzeit der Freistaat Bayern die Erforschung neuer Konzepte zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom und Brennstoffe. Thomas Bein ist einer der Koordinatoren des Forschungsnetzwerks „Solar Technologies Go Hybrid“. Die Wissenschaftler arbeiten beispielsweise an künstlicher Photosynthese oder versuchen, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Rund 120 Wissenschaftler in bereits bestehenden „Key Labs“ an den Universitäten Bayreuth, Erlangen-Nürnberg und Würzburg sowie an der LMU und der Technischen Universität München finden sich hier zu Projekten zusammen. „Es geht um Grundlagenforschung für eine nachhaltigere Photovoltaik“, fasst Bein zusammen. „Wir wollen neue Wege zum Bau von Solaranlagen finden.“

Ein wichtiger Forschungsbereich ist die sogenannte Photokatalyse. Hier löst Licht eine chemische Reaktion aus. Idealerweise ließen sich dabei beispielsweise Brennstoffe wie Wasserstoff mit geringem Aufwand aus Sonnenlicht und Wasser erzeugen. Eine Schlüsselrolle bei den Versuchen spielen derzeit dotierte Metalloxid-Nanostrukturen, auf die die Forscher noch kleinere Katalysatorteilchen auftragen. Molekularer Wasserstoff ist ein begehrter Brennstoff, er lässt sich entweder in Brennstoffzellen verwenden oder aber leicht in bekannte Brennstoffe wie Methan (Erdgas) umwandeln. Das Gas kann dann verbrannt werden, um etwa Strom zu erzeugen. Eine weitere Idee zielt darauf ab, organische und anorganische Stoffe gemeinsam zum Bau von Solarzellen zu verwenden, deshalb sprechen die Forscher hier auch von Hybridsystemen.

Nanostrukturen sind aber nicht nur für die Solartechnik interessant. Die Nanowelt wird auch immer wichtiger, wenn es etwa darum geht, neue Energiespeicher wie Lithium-Schwefel-Akkus zu bauen, die Batterien der Zukunft. „Bei Akkus sind zwei Dinge besonders wichtig“, erklärt Bein: „Wie lange dauert es, bis meine Batterie aufgeladen ist und wie viel Energie kann ich in dieser Batterie speichern?“ Handy- und Laptop-Hersteller warten auf leistungsstärkere Batterien. „Wenn ich nach San Francisco fliege, ist bei den meisten Laptops die Batterie spätestens nach der Hälfte des Fluges leer“, sagt Bein.

Sechsmal mehr Energie auf gleichem Raum
Überall ist der Bedarf hoch, leistungsstarke Akkus sind in jeder Größe begehrt, als Energiespeicher für überschüssige Windenergie, für immer leistungsfähigere Smartphones, oder für Langstreckenfahrten mit dem Auto. Die gängigsten Batterien sind derzeit Lithium-Ionen-Akkus, hier transportieren Lithium-Ionen die elektrische Ladung. Ein Akku besteht prinzipiell aus den beiden Polen Anode und Kathode sowie einem Elektrolyt dazwischen, der den Ionen-Austausch ermöglicht. Kathode und Anode müssen bei der Be- und Entladung Lithium-Ionen aufnehmen beziehungsweise abgeben. Das klappt prinzipiell gut, allerdings dauert etwa das Aufladen einer Autobatterie noch zu lange, zudem ist die Energiedichte bei den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien zu gering, um ein Auto auf langen Strecken ohne Aufladen fahren zu können.

Auch Thomas Bein sucht hier nach Alternativen. Große Hoffnungen liegen vor allem auf Schwefel als Zusatzstoff. Beim Laden der Batterie werden hier Lithium-Ionen aus Schwefel-Verbindungen an der Kathode gelöst und durch den Elektrolyten zur Anode transportiert. Interessant ist bei dem neuen Konzept vor allem die Energiedichte: Lithium-Schwefel-Batterien können auf dem gleichen Raum bis zu sechsmal mehr Energie speichern als herkömmliche Akkus. „Schwefel gibt es im Überfluss, er ist leicht und billig“, sagt Bein. Da das Element den Strom praktisch nicht leitet, müssen die Forscher ein paar Tricks anwenden. Sie müssen die Schwefel-Atome hauchdünn auf leitfähige Kohlenstoffgerüste aufbringen, in eine maßgeschneiderte Nanostruktur.

Hier kommt Beins Forschung ins Spiel, er nutzt alle Kunstgriffe der Nanowissenschaften, um eine löchrige, nur drei Nanometer große Porenstruktur zu schaffen, die den Schwefel wie eine Art Schwamm einsaugt. Aufgrund der Porenstruktur vergrößert sich die Oberfläche – und damit die Leistung. Ein Gramm des Materials bildet eine Fläche von unglaublichen 2400 Quadratmetern, das entspricht der Größe von zwei weitläufigen Gärten – ein Rekord. Die Schwefelatome indes lassen sich extrem fein aufdampfen. „Was die Leistung angeht, sind Nanostrukturen von großer Bedeutung“, sagt Bein.

Techniker entwickeln bereits Anwendungen für Lithium-Schwefel-Batterien – zivile vor allem, aber auch militärische: Die US Army nutzt sie in Drohnen. Auch große Automobilfirmen testen sie. Ein Problem gibt es jedoch bislang: Die neuartigen Batterien lassen sich nur wenige Dutzend Male aufladen, dann verlieren sie deutlich an Kapazität. Der Grund: Schwefel reagiert mit Lithium, sogenannte Polysulfide entstehen, die im Elektrolyten löslich sind und von der Kathode wegschwimmen. Dadurch geht Leistung verloren.

Auch hier sind die Nanostrukturen von Vorteil. Die Nanoporen können einen Großteil der Polysulfide halten. „Hundert Ladezyklen sind so durchaus möglich“, sagt Bein. Damit kann eine Lithium-Schwefel-Batterie zwar nicht mit den bisherigen Lithium-Ionen-Batterien mithalten. Die viel höhere Speicherleistung ist dennoch ein interessanter Faktor. „Ich könnte mir vorstellen, dass man verschiedene Batterietypen parallel verwendet, die herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien bei Stadtfahrten und die neuen Lithium-Schwefel-Batterien bei Urlaubsfahrten“, sagt Bein. „Fährt man zweimal im Jahr in Urlaub oder längere Strecken, reicht so eine Batterie wohl viele Jahre lang.“ Auch bei den Akkus öffnet die Nanowelt also neue Möglichkeiten – und das alles nur, weil Grundlagenforscher zwar langsam, aber beharrlich lernen, aus Kohlenstoff und anderen Materialien winzige Waben und dünnste Röhrchen zu formen.
Hubert Filser (Forschungsmagazin Einsichten 1/2013)

Prof. Dr. Thomas Bein ist Inhaber des Lehrstuhls für Physikalische Chemie II an der LMU. Bein, Jahrgang 1954, studierte Chemie an der Universität Hamburg und promovierte in Hamburg und an der Katholischen Universität Leuven (Belgien). Danach forschte und lehrte Bein 15 Jahre in den USA, bei DuPont in Wilmington, Delaware, an der University of New Mexico in Albuquerque und an der Purdue University in West Lafayette, Indiana, bevor er 1999 an die LMU kam.

erc_535_banner_web