Wenn Metalle und andere Materialien warm werden, dehnen sie sich im Allgemeinen aus ? ein Effekt, der sich beispielsweise an knackenden Heizungsrohren während der Heizperiode bemerkbar macht. Einige wenige Substanzen schwimmen aber sozusagen gegen den Strom: Sie ziehen sich beim Erwärmen zusammen. Jetzt hat ein US-Forscherteam einem solchen Material erstmals ganz genau beim Schrumpfen zugeschaut. Seine Erkenntnis: Die Teilchen darin schwingen auf eine bisher noch nie beobachtete Art und Weise, die sie mit steigender Temperatur enger zusammenrücken lässt. Nutzen könnte man dieses Wissen in Zukunft dafür, Materialien passgenau für verschiedene Anwendungen wie etwa Präzisionswerkzeuge zu entwerfen, bei denen unkontrolliertes Ausdehnen vermieden werden muss, sagt das Team um Brent Fultz vom California Institute of Technology (Caltech).
Ein Paradebeispiel für ein Material mit einem negativen Ausdehnungskoeffizienten ? das also bei Hitze schrumpft ? ist Zirconiumwolframat, eine Verbindung aus den beiden Metallen Zirkonium und Wolfram mit Sauerstoff. Sein innerer Aufbau ist allerdings alles andere als simpel: Eine einzige Baueinheit besteht aus 44 Atomen, die zudem in verschiedenen Figuren, vor allem Oktaedern und Tetraedern, angeordnet sind. Das ist viel zu komplex, um erkennen zu können, welche Atome wie auf das Aufheizen reagieren. Zum Glück ist jedoch im vergangenen Jahr ein weiterer Schrumpf-Kandidat aufgetaucht, der sehr viel einfacher gebaut ist: Scandiumtrifluorid, eine Verbindung, bei der Scandium- und Fluoratome in einem einfachen Gitter angeordnet sind.
Vorstellen kann man sich die einzelnen Baueinheiten dieses Gitters als Würfel, bei denen die Scandium-Atome auf den Ecken und die Fluoratome auf den Kanten angeordnet sind. Auf diese Weise ergibt sich an jeder Kante eine lineare Dreiergruppe mit einem relativ schweren Scandium-Atom an jedem Ende und einem leichteren Fluoratom dazwischen. Verbunden sind die drei Mitglieder durch eine Art Feder, die Schwingungen in verschiedene Richtungen erlaubt. Genau das scheint einer der entscheidenden Faktoren zu sein, die für das ungewöhnliche Verhalten des Salzes verantwortlich sind. Denn als die Forscher die Substanz bei verschiedenen Temperaturen zwischen 7 und 750 Kelvin ? also minus 266 und 477 Grad Celsius ? analysierten, beobachteten sie, dass mit steigendender Temperatur vor allem das leichtere Fluoratom in Schwingung gerät. Es bewegt sich hauptsächlich senkrecht zu den beiden Scandium-Teilchen, also sozusagen nach oben und unten. Dabei zieht es die schwereren Scandium-Atome zu sich hin. Die Folge: Der gesamte Kristall schrumpft.
Eine Überraschung war dabei die Natur der verbindenden Federn,. Diese verhielten sich laut den Wissenschaftlern nämlich nicht wie normale Sprungfedern, sondern wurden mit steigender Temperatur fester und starrer. Ein solches Verhalten sei zwar bereits in theoretischen Berechnungen aufgetaucht, jedoch noch nie an einem realen Beispiel beobachtet worden, erläutert das Team. Warum ausgerechnet das Scandiumtrifluorid solche ungewöhnlichen Bindungen enthält, wissen die Forscher noch nicht. Sie glauben jedoch, dass diese Variante häufiger vorkommen könnte als angenommen. Sollte sich das bestätigen, würden sich neue Möglichkeiten eröffnen, Materialien gezielter zu gestalten. So können Substanzen, die sich bei Erwärmung zusammenziehen, beispielsweise immer dort eingesetzt werden, wo das Ausdehnen anderer Werkstoffe kompensiert werden muss.
Chen Li (Caltech) et al.: Physical Review Letters, Bd. 107, S. 195504 © wissenschaft.de ? Ilka Lehnen-Beyel
