Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Praktikum am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
in Stuttgart vom 17. bis zum 28. Oktober 2005
Von Klaas Schumann, Lars Djuren, Bastian Riechers und Clemenz Krull
Am ersten Tag durchliefen wir die Abteilung Kern, wo wir von den verschiedenen Subteams in ihre Thematiken eingeführt wurden. Die Abteilung beschäftigt sich mit der exakten Erforschung von Eigenschaften und Oberflächenstrukturen von Atomen im Nanometerbereich (0.000000001 m). Ein Ziel ist das Verständnis von Wechselwirkungen und Prozessen auf atomarer und molekularer Ebene. Um in dieser Größenordnung etwas beobachten zu können, verwenden die Wissenschaftler so genannte STM (engl.: Scanning Tunneling Microscope), was auf Deutsch Raster-Tunnel-Mikroskop heißt. Dieses Mikroskop tastet die Oberfläche der Probe im Abstand von 3-4 Atomen ab und liefert durch auftretende Spannungen (Tunneleffekt) ein Abbild der atomaren Oberflächenstruktur.
In der Abteilung Jansen beschäftigt man sich mit der Erschließung von Festkörpern mit interessanten Stoffeigenschaften.
Dies geschieht unter hohem Druck. Der Druck von 300.000 bar wird von Pressen, die Druck bis zu 1.000 Tonnen aufbringen können, erzeugt. Dies ist notwendig, da die synthetisierten Oxide unter normalem Druck nicht entstehen würden.
Eine andere Forschungsgruppe beschäftigt sich mit der Herstellung von neuen, hitzebeständigen Keramiken aus Molekülen. Diese werden unter Schutzgas (Argon) hergestellt, da die Bestandteile sehr luftempfindlich sind. Das Endprodukt ist stabil.
Ziel dieser Abteilung ist, auch diese Keramiken ohne großen Aufwand mit speziell angefertigten Apparaturen in großen Mengen herzustellen. Die Keramiken werden als Fasern hergestellt, um sie so weiterverarbeiten zu können. Diese Keramiken halten Temperaturen bis zu 2.000° C aus.
Eine weitere Gruppe beschäftigt sich mit der Herstellungen von Fullerenen. Sie entstehen, wenn Kohlenstoff bei 3000-4000° C verdampft. Diese Forschungsgruppe steht noch am Anfang ihrer Arbeit. Ziel ist es, mit dem Massenspektrometer die Entstehung zu beobachten.
In dieser Servicegruppe werden Kristalle, die von Wissenschaftlern benötigt werden, gezüchtet, unter anderem auch Supraleiter. Diese werden mit dem Schmelzzonen-Verfahren mittels Spiegelofen gezüchtet. Dieser erzeugt Temperaturen bis 2000° C mit Hilfe von vier Halogenbirnen, die durch Spiegel ihre Energie auf eine ca. 1 cm2 große Fläche zentrieren. Die Birnen haben je nach Bedarf 500-1500 Watt.
Wir konnten einen Modellversuch zu den Supraleitern testen. Dieser ist eine Schwebebahn, die durch mit Flüssig-Stickstoff gekühlte Supraleiter auf einem Magnetkreis schwebt.
Wir haben für die restliche Zeit ein Projekt gestartet, indem wir uns einen Kristall züchteten.
REM Aufnahme des von uns gezüchteten Kristalls
Wir haben mittels Titration den Säuregehalt in einer Lösung bestimmt. Die Salzsäurelösung haben wir mittels Titrator und manueller Titration analysiert. Mit den Ergebnissen konnten wir den Säuregehalt berechnen. In der manuellen Titration haben wir in die Lösung einen Indikator gegeben und dann so lange Natriumchlorid hinzugeben, bis der Indikator eine Verfärbung aufwies. Anhand der eingefüllten Menge an NaCl konnten wir den Säuregehalt berechnen.
Außerdem haben wir die gezüchteten Kristalle an Fäden geklebt, um diese weiter wachsen zu lassen.
Am zweiten Tag in der Abteilung Jansen haben wir den Atomabscheider kennen gelernt. Er wird dazu benutzt Synthesen auf atomarer Ebene herzustellen, um diese weiter zu analysieren. Vor ein paar Jahren gelang es NaC herzustellen, das in der Regel nicht existiert, da es an normaler Luft nicht stabil ist. Es ist ein metastabiler Stoff, der nur unter Schutzgas zu erhalten ist. Als nächstes besuchten wir die Theorie-Abteilung, in der berechnet wird, welche Verbindungen überhaupt möglich sind. Dies dient dazu, dass die Chemiker nicht unnötige Versuche machen und somit auch Geld und Zeit verschwenden würden.
In dieser Abteilung haben wir zuerst einen Versuch zur Kristallographie mittels Röntgenspektroskopie begleitet. Dies dient dazu, die Proben so vorzubereiten, dass sie zur weiteren Analyse zu einem Syncrotron geschickt werden können (z. B. zum Desy in Hamburg). Als nächstes wurde uns die optische Spektroskopie gezeigt. Hier wird mittels Laser eine Strukturanalyse gemacht.
Als erstes haben wir in dieser Abteilung die Eigenschaften von Alkalimetallen untersucht und geprüft. Als nächstes haben wir Proben unterm Raster-Elektronen-Mikroskop angeschaut. Unter anderem haben wir uns auch einen Kristall aus unserer eigenen Zucht angeguckt. Als letztes haben wir ein Transmissionen-Mikroskop angeschaut. Der Probenhalter bei diesem Mikroskop hat einen Durchmesser von 2 mm. Er besteht aus einem Kupfernetz, das auf dieser Fläche 400 Maschen hat. Die Elektronen werden bei dieser Messung mit 300.000 Volt beschleunigt. Die Elektronen haben dann eine Geschwindigkeit von 0,3 c.
REM Aufnahme einer Wespe
Diese Abteilung untersucht die elektronischen und optischen Grundlagen an Festkörpern, wobei Quantenstrukturen dominieren.
Es wird bei Temperaturen von bis zu 20 Millikelvin geforscht bei einem Druck von bis zu 10-13 bar. Um diesen Druck aufzubauen müssen die Vakuumpumpen bis zu drei Monate pumpen. Bei diesem Vakuum wird vor allem in MBEs (Molekularstrahlepitoxie) gearbeitet, was dazu dient Proben herzustellen. Die MBEs stehen im Reinraum.
Wir haben einen Versuchsaufbau gesehen, der dazu dient elektronische Strukturen in Atomebene zu untersuchen. Es wird beim Quanten-Hall-Effekt davon ausgegangen, dass am Rand einer Probe Streifen sind, die abwechselnd Leiter und Nichtleiter sind. Es gibt zwar Anlagen, die diese darstellen können, die bei 1,5 K arbeiten, doch dies reicht für viele Stoffe nicht, deshalb ist das Ziel dieser Anlage bei 40 mK zu messen. Diese Temperatur wird in einem Cryrostaten erreicht. Dieser kühlt mit Helium3/Helium4-Gemisch. Wir haben am Nachmittag bei Reparaturen an der Vakuumkammer zugeschaut.
An diesem Tag waren wir im Reinraum. Dieser ist ein laminarer Reinraum, was bedeutet, dass die Luft von oben nach unten parallel durchgeleitet wird. Der Reinraum kostet pro Tag 1000 €. Dies liegt daran, dass die Luft rund um die Uhr gefiltert wird und z. B. das Wasser extra gereinigt wird. Im Reinraum werden Proben bearbeitet, die von Wissenschaftlern bestellt wurden. Es werden zum einen in MBEs Kristalle gedampft, weiter werden dann auf diese Kristalle Strukturen geätzt, gepresst oder gedampft.
Kleidung im Reinraum
Uns wurden die verschiedenen Anwendungen bei der Forschung mit Nano-Tubes in dieser Abteilung erläutert. Zum Beispiel werden in einzelne Tubes Fullerene, die Metallatome enthalten, eingebaut. Dann werden die elektrischen Eigenschaften dieser Tubes untersucht. Weiter haben wir noch ein Gerät, in dem Nano-Tubes gezüchtet werden, gesehen.
Anschließend haben wir unsere Kristalle der Lösung entnommen. Sie waren mittlerweile über einen Zentimeter groß geworden.
Damit war das zweiwöchige Praktikum zu Ende. Zusammenfassend kann man sagen, dass es uns allen sehr viel Spaß gemacht hat und neues Wissen gebracht hat.