Forscher können den Phasenübergang von transparent zu trüb bei Vanadiumdioxid so regulieren, dass die Übergangstemperaturen präzise eingestellt wird. Neue veränderbare Materialien für die Optik und die Wärmeregulierung wären damit möglich.
In Büchern und Filmen gelingt es Zauberern mühelos, einen undurchsichtigen Körper in einen transparenten zu verwandeln. Doch auch in der Realität gibt es Materialien, die dieses Kunststück vollbringen können: Man nennt diese Eigenschaft Phasenübergang. Das bedeutet, dass das Material abhängig von seiner Temperatur oder einem äußeren elektrischen Feld von einem transparenten in einen trüben Zustand wechseln kann. Jüngst ist es einem internationalen Team von Wissenschaftlern verschiedener Forschungseinrichtungen – unter Beteiligung der Friedrich-Schiller-Universität Jena – gelungen, den Phasenübergang von Vanadiumdioxid so zu regulieren, dass sie die Übergangstemperaturen präzise selbst einstellen können.
„Im Grunde wäre jedes optische Element besser, wenn es veränderlich wäre“, erklärt Mikhail Kats, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Technische Informatik an der University of Wisconsin-Madison (USA) und Seniorautor des in der Fachzeitschrift „Nano Letters“ erschienen Artikels. Anstatt sich wie bei der Linse einer Kamera auf mechanische Komponenten zu verlassen, um ein Objekt zu fokussieren, würde ein veränderliches Material seine wesentlichen optischen Eigenschaften auf Abruf verändern und anpassen.
Normalerweise wechseln Materialien wie Vanadiumdioxid ihren Zustand nur unter ganz bestimmten Bedingungen, was den praktischen Einsatz erheblich einschränkt. „Bei den meisten dieser Materialien erfolgt die Umwandlung unter Bedingungen, die weit von der normalen Raumtemperatur entfernt sind. Somit ist es schwierig, sie in nützliche Geräte einzubauen“, erklärt Kats.
Die Wissenschaftler veränderten die Übergangstemperatur von Vanadiumdioxid nun nicht nur von 68 °C auf unter Raumtemperatur, sondern können diese eben auch auf jeden beliebigen Wert einstellen. „Diese Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für photonische Geräte und Apparate“, sagt Shriram Ramanathan, Professor für Werkstofftechnik an der Purdue University in West Lafayette (USA), der ebenfalls an der Studie mitgearbeitet hat.
Weil die optischen und strukturellen Eigenschaften auf denselben physikalischen Prinzipien beruhen, ändern sich auch die thermische und elektrische Leitfähigkeit des Vanadiumdioxids aufgrund des Phasenübergangs. Diese Art von Materialien könnte zum Beispiel in Wohnhäusern in „intelligenten“ Wänden oder Fenstern verbaut werden, die dann auf die jeweilige Umgebungstemperatur reagieren. „Objekte, die so konzipiert sind, dass sie Licht bei hohen Temperaturen effizient emittieren, nicht aber bei niedrigen Temperaturen, könnten als rein passive Temperaturregler eingesetzt werden, die keinerlei externe Schaltung oder Energiequelle benötigen“, so Kats.
Weitere Informationen: Original-Publikation in „Nano-Letters“ www.nano.uni-jena.de www.uni-jena.de
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