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Oberflächenforschung: FOXSI geht in die nächste Runde

Metalloxide sind eine industriell wichtige aber besonders komplizierte Materialklasse. An der TU Wien wird im Rahmen eines Spezialforschungsbereichs daran geforscht, das Projekt geht nun in die zweite Runde.

Das neue Laser-Molekularstrahlepitaxie-Gerät

Das neue Laser-Molekularstrahlepitaxie-Gerät

Das neue Laser-Molekularstrahlepitaxie-Gerät

Das neue Laser-Molekularstrahlepitaxie-Gerät

Man verwendet sie in Brennstoffzellen, man kann mit ihnen Wasserstoff gewinnen und sogar schädliche Nitrate aus dem Wasser holen: Metalloxide sind eine ungeheuer vielseitige Materialklasse, die heute industriell in viele Bereichen genutzt wird. An der Oberfläche von Metalloxiden können chemische Reaktionen ablaufen, die sonst nur schwer oder gar nicht möglich sind. In einem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Spezialforschungsbereich (SFB) wurde nun vier Jahre lang höchst erfolgreich auf dem Gebiet der Metalloxid-Oberflächen gearbeitet, nun geht das Projekt in die Verlängerung. Im Rahmen eines Symposiums am 11. Mai wird die zweite Phase von „FOXSI“ (Funcional Oxide Surfaces and Interfaces) offiziell gestartet.

Brennstoffzellen und noch viel mehr
Die Vorgänge an den Metalloxid-Oberflächen sind extrem schwer zu erforschen. Lange dachte man, die Reaktionen von Metalloxiden seien überhaupt zu vielfältig, zu komplex und zu schwer reproduzierbar um sie sauber wissenschaftlich zu untersuchen. An der TU Wien wagte man sich trotzdem an diese Herausforderung heran. „Was man in der Industrie oft nur mit Versuch und Irrtum verbessern kann, wird im Rahmen von FOXSI auf atomarer Ebene untersucht“, sagt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie, der Sprecher des Spezialforschungsbereichs. „Erst indem wir die vielen, oft komplex ineinandergreifenden Abläufe auf Metalloxid-Oberflächen oder Grenzschichten genau verstehen, können wir sie auch gezielt verbessern.“

Ein wichtiges Thema für FOXSI sind Brennstoffzellen. Wenn man in einer Brennstoffzelle beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert zu Wasser reagieren lässt um dadurch Energie zu gewinnen, verwendet man spezielle Katalysatoren aus Metalloxid. Auch die Gewinnung von Wasserstoff – etwa aus Methanol – gelingt mit Metalloxid-Katalysatoren, und selbst Abgas-Katalysatoren im Auto werden mit Hilfe der Materialchemie leistungsfähiger.

Neues Gerät: Molekularstrahlepitaxie
Der Forschungsbereich ist von Natur aus interdisziplinär, an der TU Wien verbindet er die Fakultäten für Chemie und Physik. Auch das Team von Prof. Ulrike Diebold (Institut für Angewandte Physik) forscht im Spezialforschungsbereich FOXSI an Metalloxidoberflächen. Gerade wird ein neues Gerät in Betrieb genommen – eine Molekularstrahlepitaxie-Anlage. „Mit Laserpulsen können in dem Gerät Materialoberflächen in einem Ultrahochvakuum verdampft werden“, erklärt Ulrike Diebold. „Die Atome, die dabei frei werden, können wir dann verwenden, um auf sehr kontrollierte Weise in neuer Zusammensetzung auf einer anderen Oberfläche aufwachsen zu lassen.“ Während des Vorgangs kann der Prozess mit Elektronenstrahl-Diffraktion beobachtet werden, danach kann man die Oberfläche direkt in einem angeschlossenen Rastertunnelmikroskop untersuchen, ohne sie aus der Vakuumkammer herausholen zu müssen.

Lob von unabhängigen Gutachtern
Ein Symposium von 11. bis 13. Mai 2015 an der TU Wien markiert nun den offiziellen Start des zweiten Projektabschnitts, nachdem FOXSI aufgrund ausgezeichneter externer Gutachten vom FWF verlängert wurde. „Es freut uns sehr, wie positiv die unabhängigen Referees unser Projekt beurteilt haben“, sagt Günther Rupprechter. Hervorgehoben wurde insbesondere die hohe Zahl und außerordentliche Qualität der wissenschaftlichen Publikationen, die von den FOXSI-Teams in der ersten Periode veröffentlicht wurden. Auch die enge und erfolgreiche Zusammenarbeit von Theoriegruppen und Experimentalgruppen wurde ausdrücklich gelobt. Einige Forschungsziele, die man sich für die ersten vier Jahre vorgenommen hatte, wurden sogar übertroffen – manche der Gruppen arbeiten jetzt bereits an noch komplizierteren Systemen als man ursprünglich anvisiert hatte.

Das lässt mit Zuversicht auf die nächsten vier Jahre blicken. Die Gefahr, dass irgendwann die Forschungsfragen ausgehen könnten, besteht sicher nicht – die Erforschung von Metalloxiden und ihrer katalytischen Eigenschaften wird sicher noch lange Zeit spannende Fragen aufwerfen.

Mehr über FOXSI:http://foxsi.tuwien.ac.at/