Die „polare Katastrophe“verhindern

Wie bleibt die Oberfläche eines Kristalls stabil?

Kristalle, aus denen sich etwa Metalle oder Kochsalz zusammensetzen, sind bemerkenswert stabile Strukturen. Ihre Festigkeit kommt zustande, weil positiv und negativ geladene Teilchen – zwischen denen starke Anziehungskräfte wirken – im geometrischen Kristallgitter abwechselnd nebeneinander sitzen. Doch wie sieht diese Struktur an der Oberfläche des Kristalls aus, dort, wo es geschnitten oder gespalten wird?

Mit dieser Frage beschäftigte sich ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der TU Wien. Die Physiker um Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik arbeiteten mit hoch entwickelten Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopen. „Spaltet man einen kubischen Kristall, müsste man, naiv betrachtet, eigentlich ausschließlich positive oder ausschließlich negative Ladungen an der Oberfläche finden“, erklärt Diebold. „Doch so ein Zustand wäre hochgradig instabil.“Bereits in einer kleinen Materialprobe würde sich dabei eine gewaltige elektrische Spannung von Millionen Volt aufbauen – eine „polare Katastrophe“, so der Fachbegriff.

Die Forscher fanden heraus: Um das zu vermeiden, ordnen sich die Ladungsträger neu an: Bricht der Kristall, so zerbricht dabei auch eine negativ geladenen Schicht – und ihre Teilchen verteilen sich je zur Hälfte auf die beiden verbleibenden positiven Oberflächen. Spontan bilden sich dort „negative Inseln“bzw. bei erhöhter Temperatur eine labyrinthartige Struktur, nur ein Atom hoch – Berechnungen zufolge tatsächlich die energetisch stabilste Konfiguration. Dieses Wissen wollen die Forscher nun einsetzen, um chemische Reaktionen auszulösen, die nicht von allein ablaufen würden – etwa das Spalten von Wasser, um Wasserstoff zu gewinnen. (APA/trick)