Atmende Kristalle: Transformation sauberer Energie und Elektronik

Einem Team von Ingenieuren renommierter Universitäten ist es gelungen, einen Kristall zu entwickeln, der durch die Manipulation von Sauerstoffmolekülen in Echtzeit Strukturanpassungen vornehmen kann. Diese atmenden Kristalle könnten große Fortschritte bei thermischen Baumaterialien, der Luft- und Raumfahrt, der Computertechnik und sauberen Energiesystemen ermöglichen. Hier erfahren Sie, was Sie wissen müssen

Fortschrittliche Materialien, die atmen

Wissenschaftler erforschen weiterhin Materialien, die durch die Nutzung von Sauerstoffleerstellen atmen. Diese Forscher nutzen Materialien wie Übergangsmetalloxide (TMOs), die durch die Entfernung von Sauerstoffatomen in verschiedene Zustände gebracht werden können.

Diese Zustände besitzen unterschiedliche Eigenschaften, die es Wissenschaftlern ermöglichen, programmierbare Funktionalitäten zu optimieren. So ist es möglich, katalytische, elektronische und photokatalytische Fähigkeiten auf mikroskopischer Ebene zu verstärken oder zu verringern. Diese steuerbaren Parameter haben atmungsaktive Materialien zu einem unverzichtbaren Bestandteil zukünftiger Technologien wie Energiespeicherung, Katalyse, Supraleitung und elektronischer Geräte gemacht.

Kobaltoxide

Der häufigste TMO-Typ kombiniert Perowskite auf Kobalt- und Eisenbasis. Perowskite sind nanoskalige Kristallstrukturen, deren Form sie ideal für die Elementbildung macht. Ingenieure verwenden diese Materialien in TMOs, da sie eine starke strukturelle Unterstützung bieten und mehrere Strukturphasen unterstützen können.

Probleme mit Kobaltoxiden

Kobaltoxide haben ihre Grenzen. Zum einen sind diese Materialien äußerlich zerbrechlich und teuer in der Herstellung. Daher können sie ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen zur Schadensvermeidung nicht in anspruchsvolleren Anwendungen eingesetzt werden.

Ein weiteres Problem beim Kobaltoxid-Ansatz besteht darin, dass diese Strukturen ihre jeweiligen Zustände nur bei hohen Temperaturen oder anderen spezifischen Bedingungen erreichen können. Das Erfüllen dieser Bedingungen kann die Gesamtkosten, die Größe und die Einschränkungen der vorgesehenen Anwendungen erhöhen. Darüber hinaus können diese Bedingungen zu Zersetzung und damit zu Leistungseinbußen führen.

Studie zu Atemkristallen

Ein Team von Ingenieuren erkannte diese Einschränkungen und machte sich auf die Suche nach einer stabileren und flexibleren Alternative zu TMOs auf Kobaltoxidbasis. Ihre Arbeit „Selektive Reduktion in epitaktischem SrFe0.5Co0.5O2.5 und seine Reversibilität“ wurde veröffentlicht.¹ stellt in der Zeitschrift Nature Communications eine neuartige TMO-Zusammensetzung vor, die ein breiteres Spektrum an Sauerstoffstöchiometrien unterstützen kann.

Im Rahmen dieses Ansatzes erzeugten die Ingenieure dünne Schichten aus Metalloxiden aus Strontium, Eisen und Kobalt. Die SrFe0.5Co0.5O2.5-Schichten wurden anschließend durch verschiedene Gasumgebungen moduliert. Das Team stellte fest, dass ihre Kristalle eine Atmungsfunktion erzeugen und Sauerstoff wie Lungen freisetzen und aufnehmen.

Quelle - Pusan ​​National University, Korea

Anders als bei herkömmlichen Kobaltoxid-Reduktionsverfahren blieb das Eisen inert, wodurch die Kristalle eine feste Struktur erhielten und ein Strukturabbau verhindert wurde. Darüber hinaus ermöglichen elementspezifische Reduktionsverfahren den Ingenieuren die Feinabstimmung strukturell unterschiedlicher sauerstoffarmer Phasen mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Das Team stellte fest, dass die Sauerstoffleerstellen an den Tetraederplätzen die Struktur stabilisieren. Diese strukturelle Steifigkeit wurde noch weiter erhöht, da das Eisen die lokale Koordinationsumgebung veränderte und so den durch Co2 induzierten Strukturzerfall blockierte.

Ursprüngliche Form

Die Wissenschaftler waren beeindruckt, als sie sahen, dass die Kristalle durch die Zugabe von Sauerstoff ihre ursprüngliche Form wieder annehmen konnten. Diese kostengünstige und kontrollierbare Methode eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten in vielen Technologiebereichen. Sie dokumentierten außerdem, wie das Eisen die Wahrscheinlichkeit der Bildung defekter Perowskit-, Brownmillerit- und sauerstoffreicher Perowskitphasen während des Prozesses verringerte.

Atemkristall-Studientest

Um ihre Theorie zu testen, erzeugten die Wissenschaftler dünne Brownmillerit-(BM)-SFCO-Filme. Anschließend leiteten sie Reaktionen mit einem 3%igen H2/Ar-Formiergas (FG) für unterschiedliche Zeiträume ein. Dieses Gas reagiert mit Wasserstoff, wodurch Sauerstoffatome aus den Gitterstrukturen freigesetzt werden.

Während des Prozesses setzten die Ingenieure verschiedene Teststrategien ein. Der Einsatz optischer Spektroskopie ergab eine verbesserte Transparenz und weitere wichtige Details. So stellte das Team beispielsweise eine Absorptionskantenverschiebung von 1.65 eV in der Co-L-Kante bei der Reduktion fest.

Redox-Test

Um die Rückverwandlung in den ursprünglichen Strukturzustand zu dokumentieren, führten die Ingenieure phasenübergreifende Beugungs- und Transportmessungen durch. Die Messungen bestätigten eine Gitterausdehnung außerhalb der Ebene, was auf eine allmähliche Bildung von Sauerstoffleerstellen hindeutet.

Wichtige Erkenntnisse aus der Studie zu Atemkristallen

Die Tests zeigten, dass Fe eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der strukturellen Kohärenz und der Verhinderung der Zersetzung in TMOs spielt. Sie zeigten auch, wie eine vorgeplante Redoxkontrolle die Entstehung funktionell unterschiedlicher sauerstoffarmer Phasen ermöglicht.

Die Studie ergab, dass das Fe unter verschiedenen reduzierenden Bedingungen chemisch stabil blieb. Dies bestätigt, dass seine Anwesenheit die strukturelle Unterstützung stärken kann, indem es die Sauerstoffentfernung an der Spitze verhindert. Dieser Prozess führt zur Bildung einer stabilen sauerstoffarmen Phase anstelle einer instabilen.

Vorteile von Atemkristallen

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Die Studie über atmende Kristalle bietet dem Markt viele Vorteile. Zum einen laufen diese Kristallreaktionen unter milderen Bedingungen ab. Dieser Ansatz macht Hochtemperaturverfahren oder andere teurere und kompliziertere Methoden zur Manipulation der Gasumgebung überflüssig.

Stabilität

Der größte Vorteil dieser Forschung besteht darin, dass sie ein neues stabiles TMO auf Fe-Basis hervorbringt, das Phasen mit voller Redux-Fähigkeit umwandeln kann. Die Stabilität dieser neuen Struktur wird dazu beitragen, zukünftige Innovationen in der Nanotechnologie, der Luft- und Raumfahrt und anderen Anwendungen voranzutreiben.

Anwendungen und Zeitleiste von Breathing Crystals in der Praxis:

Die Technologie der atmenden Kristalle bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Diese winzigen Strukturen bilden den Kern einiger der fortschrittlichsten und wichtigsten Innovationen unserer Zeit. Von sauberer Energie bis hin zu Elektronik und mehr gibt es zahlreiche bemerkenswerte Anwendungsgebiete für atmende Kristalle.

Umweltfreundliche Baumaterialien

Berichten zufolge gehören Klimatisierungssysteme wie Klimaanlagen und Heizungen weltweit nach wie vor zu den größten Stromverbrauchern. Diese Studie eröffnet neue Möglichkeiten für umweltfreundliche, intelligente Materialien, die sich automatisch anpassen und so auch ohne Strom für Komfort sorgen.

Derzeit laufen mehrere Projekte, die innovative Materialien mit struktureller Konstruktion kombinieren, um die Abhängigkeit von elektrischen Temperaturregelungsmaßnahmen zu reduzieren. Ein perfektes Beispiel hierfür sind intelligente Fenster. Diese speziell entwickelten Fenster versprechen eine automatische Anpassung, um den Wärmefluss je nach Ihren Einstellungen zu erhöhen oder zu verringern.

Saubere Energietechnologien

Eine weitere Anwendung für atmende Kristalle sind Brennstoffzellen der nächsten Generation. Brennstoffzellen bieten saubere Energie und Mobilität. Ingenieure haben kürzlich Festoxidbrennstoffzellen entwickelt, die mit minimalen Emissionen Strom aus Wasserstoff erzeugen. Zukünftig könnten Optionen für atmende Kristalle diesen Produkten mehr Stabilität und Redox-Fähigkeiten verleihen.

Intelligente Wärmegeräte

Bei genauerer Betrachtung der Auswirkungen dieser Technologie wird schnell klar, dass diese Arbeit die Entwicklung intelligenter thermischer Geräte vorantreiben könnte. Diese Geräte können Temperaturänderungen automatisch erfassen und sich anpassen, um die Leistung auch in rauen Umgebungen sicherzustellen. Stellen Sie sich beispielsweise fortschrittliche Computerwafer vor, die thermischen Verschleiß perfekt bewältigen können.

Zeitleiste der atmenden Kristalle

Es wird etwa sieben bis zehn Jahre dauern, bis diese Technologie auf den Markt kommt. Die Integration in den Ökoenergiesektor könnte schneller erfolgen, da sie starke internationale Unterstützung genießt und die UN in den kommenden Jahrzehnten ein Netto-Null-CO7-Emissionsziel anstrebt.

Forscher für atmende Kristalle

Die Studie zu Atemkristallen wurde an der Pusan ​​National University (Korea) und der Hokkaido University (Japan) durchgeführt. Als Hauptautoren werden Professor Hyoungjeen Jeen und Professor Hiromichi Ohta genannt. Unterstützt wurden sie von Joonhyuk Lee, Yu-Seong Seo, Krishna Chaitanya Pitike, Gowoon Kim, Sangkyun Ryu, Hyeyun Chung, Su Ryang Park, Sangmoon Yoon, Younghak Kim und Valentino R. Cooper.

Die Studie zu den Atemkristallen erhielt finanzielle und materielle Unterstützung vom Research Institute for Electronic Science der Universität Hokkaido, Japan, und durch ein Stipendium der National Research Foundation of Korea (NRF) der koreanischen Regierung.

Atmende Kristalle Zukunft

Die Forschung an atmenden Kristallen verspricht vielversprechende Zukunftsaussichten. Die Nachfrage nach diesen Materialien ist groß, da sie für die Weiterentwicklung verschiedener Hightech-Branchen, darunter der Computer- und der Luft- und Raumfahrtindustrie, von entscheidender Bedeutung sind. Die Ingenieure betonten, dass ihre Arbeit einen neuen Phasenraum für programmierbare sauerstoffarme Materialien erschließt.

Investitionen in Materialwissenschaften

Es gibt viele Unternehmen im Bereich Materialwissenschaften. Diese Hersteller entwickeln Hightech-Materialien, die Ihren Computer reibungslos laufen lassen, Satelliten am Himmel und vieles mehr. Hier ist ein Unternehmen, das innovativ geblieben ist und die Einführung der Materialwissenschaften der nächsten Generation vorangetrieben hat.

JinkoSolar

JinkoSolar (JKS -1.64 %) ist ein führender Anbieter von hocheffizienten Photovoltaikmodulen, Silizium-Wafern und -Ingots, Energiespeichersystemen und fortschrittlichen Materialien wie mikrokristallinem Solarsilizium. Das Unternehmen ist seit 2006 auf dem Markt und hat seinen Sitz in China.

Die Firmengründer Li Xiande, Kangping Chen und Xianhua Li wollten dem Markt leistungsstärkere und robustere Solarlösungen anbieten. Das Unternehmen war sofort erfolgreich und wurde 2010 an der New Yorker Börse notiert.

JinkoSolar setzt weiterhin auf leistungsstärkere Solarmodule. Diese wurden mit der Einführung der Tiger Pro-Serie und der ultrahochleistungsfähigen 700W+-Serie im Jahr 2021 deutlich verbessert. Heute ist das Unternehmen ein Branchenführer mit Niederlassungen in China, den USA, Südostasien und dem Nahen Osten. Wer eine seriöse Aktie mit Engagement in mehreren Hightech-Sektoren sucht, sollte sich genauer mit der JinkoSolar-Aktie befassen.

Aktuelle Nachrichten und Entwicklungen zur JinkoSolar (JKS)-Aktie

Studie zu Atemkristallen | Fazit

Die Studie zu atmenden Kristallen öffnet Türen für fortschrittlichere Materialwissenschaften. Der einzigartige Ansatz des Teams reduziert Kosten und verbessert die Leistung. Sie zeigt zudem, wie kleine Veränderungen im Umgang mit TMOs zu massiven Verbesserungen führen können. Nun will das Team seine Arbeit ausbauen und Industriepartnerschaften eingehen, um seine Entdeckung auf den Markt zu bringen.

Erfahren Sie mehr über andere coole Durchbrüche in der Materialwissenschaft hier.

References:

^{1. Lee, J., Seo, YS., Pitike, KC et al. Selektive Reduktion in epitaktischem SrFe_0.5Co_0.5O_2.5 und seine Reversibilität. Nat Commun 16, 7391 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62612-1}