Kristall hüpft bei Strukturumwandlung

Wenn Physiker von Kristalldynamik reden, geht es meist um Schwingungen des Kristallgitters, die dem bloßen Auge entgehen. Doch auch merkliche Bewegungen sind möglich, wie eine in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlichte Studie zeigt: Ein organometallisches Material springt in die Luft, wenn man es über siebzig Grad Celsius erhitzt. Als Ursache des Sprungs sieht das Forscherteam um Manas Panda von der New York University in Abu Dhabi die mechanische Spannung, die sich im Zuge der thermischen Strukturumwandlung auf- und dann blitzartig abbaut.

Links eine gestauchte und rechts eine gestreckte Version der organometallischen Verbindung PHA. Oben sind die Bausteine des Moleküls dargestellt: es gruppieren sich jeweils ein fluor-(F)- und ein sauerstoff-(O)-haltiger sowie ein stickstoff-(N)-haltiger organischer Molekülteil um ein zentrales Palladium-(Pd)-Atom (oben).
Gestauchte und gestreckte Versionen des PHA

Bei ihrer Untersuchung entdeckten die Forscher drei bisher unbekannte Kristallformen der organometallischen Verbindung (Phenylazophenyl-)Palladium-Hexafluoroacetylaceton, kurz PHA. Diese und die zwei bereits bekannten Modifikationen nimmt das Material abhängig von der Temperatur an. „Bisher ist keine andere organometallische Verbindung bekannt, die in so vielen verschiedenen Strukturen auftritt“, sagt der Koautor Tomče Runčevski vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart.

Der thermische Hüpfeffekt trat zwischen zwei Strukturen auf, die als Alpha- und Gammamodifikation bezeichnet werden. Als sich der Kristall etwa zwischen siebzig und achtzig Grad Celsius von der einen in die andere Struktur umwandelte, dehnte sich sein Gitter in zwei Richtungen drastisch aus, während es in einer anderen stark schrumpfte. Der große Unterschied in den Abmessungen rief eine mechanische Spannung im Kristall hervor. Der Sprung setzte ein, weil sich die Spannung blitzartig wieder entlud – „zehntausendmal schneller als bei Strukturänderungen, bei denen der Hüpfeffekt nicht auftritt“, so Runčevski.

Das Prinzip hinter dem springenden Kristall könnte bei Motoren für Mikromaschinen und Robotern zum Einsatz kommen. „Wenn wir besser verstehen, was dabei geschieht, können wir möglicherweise Materialien erzeugen, die sich für praktische Anwendungen in künstlichen Muskeln oder Aktoren eignen“, so der Koautor Robert Dinnebier, ebenfalls vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart.