Anorganische Festkörperchemie

Anorganische Festkörperchemie an der Technischen Universität Darmstadt

Der AK-Albert; Foto: Katrin Binner
Der AK-Albert; Foto: Katrin Binner

In der Festkörperchemie beschäftigt man sich mit Substanzen und Materialien, deren Eigenschaften nicht durch einzelne Moleküle bestimmt werden, sondern die einen Aufbau aufweisen, der zu kooperativen Phänomenen führt. Die interessanten Eigenschaften eines Festkörpers sind zumeist die des Kollektivs der Teilchen. Festkörperchemiker (und –physiker) untersuchen die Beziehungen zwischen der Struktur (dem Aufbau) eines Stoffes und dem Auftreten von interessanten Eigenschaften. Beidem zugrunde liegt die elektronische Struktur einer Substanz, die man mithilfe moderner theoretischer Berechnungen zu verstehen versucht. Voraussetzung für alle diese Untersuchungen ist das Beherrschen der Kunst, neue und bekannte Substanzen in der gewünschten Form und Reinheit zu präparieren. Methoden, die zur Synthese von Festkörpern herangezogen werden können, unterscheiden sich üblicherweise deutlich von denen anderer Teilgebiete der Chemie.

Dr. M. Frotscher und F. Stober am Hochfrequenzofen; Foto:Katrin Binner
Dr. M. Frotscher und F. Stober am Hochfrequenzofen; Foto:Katrin Binner

In unserer Arbeitsgruppe synthetisieren wir mit den unterschiedlichsten Verfahren Festkörper und Materialien: zum einen bei mehreren tausend Grad Celsius im Lichtbogen oder Hochfrequenzofen, zum anderen bei – 40 °C in flüssigem Ammoniak – oder auch bei nahezu jeder Temperatur dazwischen. Viele der Umsetzungen werden unter besonderen Bedingungen in extra gereinigtem Argon durchgeführt (Schutzgasanlagen, Schlenk-Technik, Handschuhkästen).

Für die folgenden Substanzklassen haben wir in den letzten Jahren Vertreter synthetisiert: Zeolithe (Alumosilicate), Boride, Hydroborate (Boranate), Borate, Cuprate, Titanate, Übergangsmetalloxide u.v.m.

Unser Ziel ist es, Stoffe in wohl definierter Form herzustellen und darauf zu überprüfen, ob es sich bei ihnen um interessante Materialien handelt, wie z.B. Refraktärwerkstoffe, Thermoelektrika, Supraleiter, Ionenleiter oder Ionentauscher.

Dr. K. Hofmann u. Gerd Bruhn im Labor; Foto: Katrin Binner
Dr. K. Hofmann u. Gerd Bruhn im Labor; Foto: Katrin Binner

Als Charakterisierungs- und Rechenmethoden setzen wir selbst oder in Kooperation mit anderen Arbeitsgruppen ein: (Temperaturabhängige) Röntgen- und Neutronenpulverdiffraktometrie, Einkristallröntgenstrukturanalyse, Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie, Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS, ELNES), Röntgenspektroskopie (XANES, EXAFS, XPS, EDS), (Festkörper-) Kernmagnetische Resonanz, Messung der Ionen- und der elektronischen Leitfähigkeit, Infrarotspektroskopie, Dichtefunktionaltheorie, Härtebestimmungen, Magnetische Messungen, Atomspektroskopie (AAS, OES).

Ziemlich neu sind unsere experimentellen Elektronendichteanalysen an borreichen Festkörpern. Von diesen kann man sich erhoffen, dass die komplizierten Bindungsverhältnisse, die das Element Bor in seinen verschiedenen Verbindungen eingeht, besser verstanden werden können. Unsere ersten Ergebnisse zu Salzen mit dem B6H62- – Ion und dem B6H7- – Ion bestätigen nicht nur erstmals experimentell theoretische Konzepte aus der Literatur und Lehrbuchkonzepte, sondern sie ergänzen und verfeinern sie auch.