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Neuer sauerstoffatmender Kristall vorgestellt
Ein multinationales Team aus Korea und Japan hat ein kristallines Metalloxid entwickelt, das bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen wiederholt Sauerstoff abgeben und aufnehmen kann — eine Fähigkeit, die man mit "Atmen" vergleicht. Das Material, bestehend aus Strontium, Eisen und Kobalt, führt reversiblen Sauerstoffaustausch durch, ohne dass die Struktur zusammenbricht, und eröffnet damit Wege für saubere Energietechnologien und adaptive Elektronik. Bildnachweis: Prof. Hyoungjeen Jeen von der Pusan National University, Korea
Die Entdeckung, angeführt von Professor Hyoungjeen Jeen (Department of Physics, Pusan National University) mit Co-Autor Professor Hiromichi Ohta (Research Institute for Electronic Science, Hokkaido University), erscheint in Nature Communications (15. August 2025). Das Team zeigte, dass das Oxid bei moderater Erwärmung in einer einfachen Gasumgebung Sauerstoff freisetzt und bei veränderten Bedingungen wieder Sauerstoff aufnimmt — ein vollständig reversibler Vorgang, der viele Zyklen überdauert.
Wissenschaftlicher Hintergrund und warum Sauerstoffkontrolle wichtig ist
Die Kontrolle des Sauerstoffgehalts in Feststoffen ist eine zentrale Fähigkeit für zahlreiche Technologien. In Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) ermöglicht die Bewegung von Sauerstoffionen durch Metalloxide die effiziente Umwandlung von Wasserstoff in Strom bei geringen Emissionen. Thermische Transistoren — Bauteile, die den Wärmestrom analog zu elektronischen Transistoren schalten — beruhen ebenfalls auf Materialien, deren Wärmeleitfähigkeit sich mit der Sauerstoffstöchiometrie ändert. Intelligente Fenster, die ihre Wärmedurchlässigkeit dynamisch anpassen, können ähnliche sauerstoffreaktive Mechanismen nutzen, um sich an Wetterbedingungen anzupassen und den Energieverbrauch von Gebäuden zu senken.
Was macht diesen Kristall besonders?
Frühere Sauerstoffaustauschmaterialien erforderten oft extreme Temperaturen oder zeigten Verschlechterungen nach vielen Zyklen. Das neue Strontium–Eisen–Kobalt-Oxid zeichnet sich dadurch aus, dass während der Sauerstoffabgabe nur die Kobalt-Ionen reduziert werden und die Umordnung eine neue, aber stabile Kristallstruktur erzeugt, statt das Gitter zu zerstören. Wichtig ist, dass das Wiedereinführen von Sauerstoff die ursprüngliche Kristallstruktur wiederherstellt — ein deutlicher Nachweis echter Reversibilität, der für praktische Anwendungen entscheidend ist.
Folgen, Anwendungen und experimentelle Highlights
Wesentliche Auswirkungen umfassen:
- Saubere Energie: Verbesserte sauerstoffhandhabende Materialien können die Effizienz und Haltbarkeit von SOFCs erhöhen und die Betriebstemperaturen senken.
- Intelligente thermische Bauteile: Materialien, die den Wärmetransport mit dem Sauerstoffgehalt ändern, ermöglichen thermische Logik und adaptive Isolierung.
- Elektronik und Baustoffe: Reversibler Sauerstoffaustausch könnte neue Konzepte für nichtflüchtige Speicher, Sensoren und energieeinsparende Beschichtungen für Gebäude ermöglichen.
Die Forschung kombinierte sorgfältige Synthese des Strontium–Eisen–Kobalt-Oxids, kontrollierte Heizexperimente in definierter Gasumgebung und strukturelle Charakterisierung, die Valenzzustände der Ionen und Kristallphasenveränderungen verfolgte. Das Team betont, dass das Material bei wiederholten Zyklen intakt bleibt und unter milderen, praktischeren Bedingungen arbeitet als viele frühere Kandidaten.
"Es ist, als würde man dem Kristall Lungen geben; er kann auf Kommando Sauerstoff ein- und ausatmen", fasst Prof. Jeen die Neuheit der Entdeckung zusammen. Prof. Ohta ergänzt: "Das ist ein großer Schritt in Richtung intelligenter Materialien, die sich in Echtzeit anpassen können." Ihre Arbeit hebt sowohl grundlegende Einsichten in die Redoxchemie von Übergangsmetallen als auch klares technologisches Potenzial hervor.
Experteneinschätzung
Dr. Elena Park (unabhängige Materialwissenschaftlerin, fiktiv) kommentiert: "Reversibler Sauerstoffaustausch bei niedrigen Temperaturen in einem strukturell robusten Oxid ist selten. Wenn sich diese Eigenschaften beim Hochskalieren erhalten lassen, könnte das Material die Betriebstemperaturen von Brennstoffzellen senken und kompakte thermische Schalter ermöglichen. Der nächste Schritt ist die Prüfung langfristiger Zyklen unter anwendungsrelevanten Bedingungen und die Integration von Dünnfilmvarianten in Geräte."
Fazit
Das von Forschern in Korea und Japan berichtete Strontium–Eisen–Kobalt-Oxid zeigt einen reversiblen, niedrigtemperaturigen Sauerstoffaustausch, der die Kristallintegrität bewahrt — es verleiht dem Material damit kontrollierbares "Atmungsverhalten". Diese Kombination aus Stabilität, Reversibilität und praxisnahen Betriebsbedingungen macht es zu einem vielversprechenden Kandidaten für Brennstoffzellen, thermische Transistoren, adaptive Fenster und andere intelligente, energieeffiziente Technologien. Fortgesetzte Tests, Hochskalierung und Geräteintegration werden zeigen, wie schnell dieser Laborfortschritt in kommerzielle oder industrielle Anwendungen überführt werden kann.
Quelle: sciencedaily
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