Synthese, Strukturaufklärung und Eigenschaften von Bismut-Nickel-Nanoröhren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des bearbeiteten Projektes gelang die Entwicklung einer neuartigen Synthese doppelwandiger Bismut-Nanoröhren (DWBiNTs) durch Umsetzung von Bismutmonoiodid mit n-Butyllithium sowie deren umfangreiche röntgenographische, chemische und elektronenmikroskopische Charakterisierung. Im Gegensatz zu bislang bekannten Synthesemethoden für Bi-Nanoröhren kann die im Rahmen des Projektes entwickelte Syntheseroute als chemische Top-Down-Bottom-Up-Methode verstanden werden. Hiermit soll die Kaskade des Herauslösens der im Festkörper vorgeprägten Strukturen (chemisch Top-Down) gefolgt von deren Reorganisation zu nanoskopischen Objekten (klassisch Bottom-Up) verdeutlicht werden. Diese Herangehensweise der Niedertemperaturreduktion klassischer Festkörperverbindungen ist bislang einzigartig und konnte basierend auf den Ergebnissen des vorliegenden Projektes innerhalb des Arbeitskreises bereits erfolgreich auf intermetallische Phasen übertragen werden. Es konnte ferner gezeigt werden, dass es durch die milde Oxidation von DWBiNTs im O2-Strom möglich ist, unter Erhalt der Morphologie gezielt Nanoröhren der unter Normalbedingungen metastabilen β-Modifikation von Bi2O3 zu synthetisieren. Diese wurden in Zusammenarbeit mit dem Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e.V. Meinsberg hinsichtlich ihrer gassensitiven Eigenschaften untersucht. Während die oxidischen Nanoröhren keine Sensitivität gegenüber CO und nur eine geringe H2-Sensitivität aufweisen, zeigt sich eine signifikante Widerstandserhöhung mit sinkendem Sauerstoffpartialdruck im Gasgemisch. Diese Befunde zeigen eine mögliche, bislang nicht untersuchte Anwendung von Bi2O3 als Sauerstoffsensor. Die Anwendung der milden, heterogenen Reduktion auf Kristalle von (Bi3Ni)4I3 führte in einer Pseudomorphose auf Bündel paralleler Bi3Ni-Nanofasern, die sich aufgrund der niedrigen Reaktionstemperatur nicht zur Packung der Bi3Ni-Volumenphase verdichten konnten. Während Bi3Ni als Volumenphase nichtmagnetisch ist und bei Tc = 4,1 K in den supraleitenden Zustand übergeht, zeigen die nanostrukturierten Proben Paramagnetismus und ordnen unterhalb 20 K ferromagnetisch, bevor sie bei gleichem Tc zum Supraleiter werden. Die Koexistenz beider, oft als Antagonisten angesehenen, Quantenzustände konnte durch umfassende physikalische Messungen belegt werden. Die im Rahmen dieses Projektes ebenfalls entwickelte und in ihren Ergebnissen (Phase, Reinheit, verschiedene Morphologien) kontrollierbare sowie zeit- und energieeffiziente mikrowellenunterstützte Niedertemperaturmethode zur Synthese von intermetallischen Verbindungen bietet einen Zugang zu weiteren mehrkomponentigen, metallischen Materialien, welche durch metallurgische Hochtemperaturschmelz- oder - sinterprozesse nur schwer oder gar nicht zugänglich sind. Allgemein kann das beschriebene Verfahren als eine verlässliche, breit anwendbare Methode zur Synthese wohl strukturierter Verbindungen auf chemischem Weg bei Temperaturen bis maximal 250 °C angesehen werden, welches eine große Bandbreite an verschiedenen Einsatzmöglichkeiten bietet. http://www.pro-physik.de, 12.04.2011: „Ferromagnetismus plus Supraleitung“ http://www.academics.de, 12.04.2011: „Ferromagnetismus plus Supraleitung“ http://www.newsdeutschland.com, 12.04.2011: „Ferromagnetismus plus Supraleitung“ http://www.juraforum.de, 12.04.2011: „Ferromagnetismus plus Supraleitung“ http://www.organische-chemie.ch, 13.04.2011: „Bi3Ni-Fasern werden bei tiefen Temperaturen ferromagnetisch und supraleitend“ http://www.laborpraxis.vogel.de, 14.04.2011: „Verbindung zeigt Ferromagnetismus und Supraleitung“ http://www.chemie.de, 21.04.2011: „Ferromagnetismus plus Supraleitung - Forscher entdecken seltenes physikalisches Phänomen bei tiefen Temperaturen“ Deutschlandfunk (http://www.dradio.de), 20.04.2011: „Widerstandslos und magnetisch“
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „At the edge of covalency: Metallic nano-tubes, low-dimensional metals and clusters“, XII. European Conference on Solid State Chemistry, Münster 2009
M. Ruck
- At the Edge of Covalency: Metallic Nanotubes, Low-Dimensional Metals and Clusters. Z. Kristallogr. 2010, 225, 167 – 172
M. Ruck,
- High-Yield Synthesis and Structure of Double-Walled Bismuth-Nanotubes. Nano Lett. 2010, 10, 208 – 210
R. Boldt, M. Kaiser, D. Köhler, F. Krumeich, M. Ruck
- „Koexistenz von Ferromagnetismus und Supraleitung hervorgerufen durch Nanostrukturierung“, Festkörperchemisches Kolloquium, Stuttgart, 2010
M. Ruck:
- „Soft Chemistry Methods for the Synthesis of Metal-Rich Compounds“, International Workshop on Transition Metal Cluster Chemistry, IWTMC-II, Rostock, 2010
M. Ruck
- A Metastable Metal with Decagonal Local Symmetry Obtained by Low-Temperature Pseudomorphosis. Angew. Chem. 2011, 123, 6302 - 6304; Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 6178 - 6180
M. Kaiser, A. Isaeva, M. Ruck
- Structure-Induced Coexistence of Ferromagnetic and Superconducting States of Single-Phase Bi3Ni Seen via Magnetization and Resistance Measurements. Phys. Rev. B 2011, 83, 140501
T. Herrmannsdörfer, R. Skrotzki, J. Wosnitza, D. Köhler, R. Boldt, M. Ruck
- „Fascinating Inorganic Materials by Low Temperature Syntheses“, Scientific Colloquium at MPI CPfS, Dresden, 2011
M. Ruck
- „Low Temperature Syntheses of Inorganic Materials“, French-German- Russian Workshop on Advances in Inorganic Crystal Chemistry, St. Petersburg, 2011
M. Ruck
- „Metastable Metals and Unconventional Superconductors by Low Temperature Syntheses“, AGICHEM 2011, 8th International Conference on Inorganic Chemistry, Heidelberg, 2011
M. Ruck
