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Struktur von Eisenoxid

Die eigentümlichen Eigenschaften von Eisenoxid

Metalloxide sind wegen ihrer Eigenschaften als Werkstoffe sehr gefragt. Einige dieser Eigenschaften konnte man sich bisher aber nicht erklären. Der Grund ist eine völlig falsche Vorstellung ihrer Kristallstruktur - das konnten nun ein Team von der Technischen Universität (TU) Wien anhand von Eisenoxid zeigen.

Physik 05.12.2014

Metalloxide zählen nicht nur zu den besten Isolatoren, sondern auch zu Supraleitern, manche sind sehr gute Katalysatoren und beschleunigen bzw. ermöglichen so chemische Reaktionen, andere sind besonders korrosionsbeständig.

Eine weitere interessante Eigenschaft weist Magnetit (Fe3O4) auf: Gold- oder Palladium-Atome verteilen sich gleichmäßig auf der Oberfläche des Eisenoxid und ballen sich nicht wie sonst üblich zu kleinen Klumpen zusammen.

Es fehlt das Eisen, nicht der Sauerstoff

"Warum das so ist, haben wir bisher überhaupt nicht verstanden", erklärte Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. Dabei könnte gerade dieser Effekt feinst verteilter Goldatome zu sehr effizienten Katalysatoren führen. Auch die elektronischen Eigenschaften des Materials seien vielversprechend, aber ebenso unverstanden.

Entscheidend für das Verständnis eines Materials ist dessen Oberfläche, die mit der Umwelt wechselwirkt. Von Magnetit dachten die Wissenschaftler schon lange, alles über dessen Oberfläche zu wissen. So sollten nach bisheriger Ansicht fehlende Sauerstoffatome in den obersten Atomschichten die Eigenschaften von Fe3O4 und auch von anderen Metalloxiden bestimmen.

Die Studie:

"Subsurface cation vacancy stabilization of the magnetite surface" von Roland Bliem und Kollegen ist am 4. 12. in "Science" erschienen.

Die aktuelle Studie liegt zwischen Physik und Chemie. Die TU Wien hat das Doktoratskolleg "Solids4fun" geschaffen, um die interdisziplinäre Zusammenarbeit im Bereich der Metall- und Oberflächenforschung zu fördern.

Eine kleine Eisenoxid-Probe in der Vakuumkammer

TU Wien

Eine kleine Eisenoxid-Probe in der Vakuumkammer

Es habe lange gedauert, "bis jemand in die andere Richtung gedacht hat und von fehlenden Eisenatomen ausgegangen ist", so Diebold. Ihr Kollege Gareth Parkinson habe genau das gemacht und "plötzlich hat es geklickt". Die Forscher begannen zu überlegen, wie die Struktur unter diesen Voraussetzungen aussehen könnte und es zeigte sich, dass die Oberfläche von Eisenoxid nicht Fe3O4, sondern eher Fe11O16 entspricht.

Theoretisch und experimentell bewiesen

Statt einer starren Struktur aus Metallatomen mit eingebautem Sauerstoff müsse man Eisenoxid eher als wohldefinierte Sauerstoffstruktur betrachten, in der sich Metallatome verstecken. Direkt unterhalb der äußersten Atomschicht fehlen in regelmäßigen Abständen Eisenatome.

Dadurch können sich genau oberhalb dieser Fehlstellen, also an der Oberfläche, beispielsweise einzelne Gold-oder Palladiumatome anlagern. Das erklärt, warum sich diese Atome auf Magnetit nicht zu Clustern zusammenballen.

Parkinsons Konzept verifizierten die Wissenschaftler nicht nur durch quantenphysikalische Simulationsrechnungen, sondern auch experimentell mittels Elektronenstreuung. Der dabei erlangte Qualitätsfaktor sei "hervorragend, da fährt die Eisenbahn drüber, jetzt wissen wir, wie die Struktur aussieht", sagte Diebold.

Sie ist sich auch sicher, dass dieser Paradigmenwechsel für die Struktur nicht nur für Magnetit, sondern auch andere Metalloxide gilt.

science.ORF.at/APA

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