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Ausgabe 194

magazin mit Berichten von der Politik bis zur Kultur: sechs bis acht Mal jährlich mit bis zu 100 Seiten Österreich. 15.327 pdf-Downloads im August 2020 auf http://oesterreichjournal.at/

ÖSTERREICH JOURNAL NR.

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 194 / 17. 09. 2020 Brennstoffzellen stehen im Fokus der mo - dernen Energieforschung und sind essentiell für eine nachhaltige Energieversorgung. Ob ihr Herz – der Katalysator – effizient arbeitet, hängt stark von seinem Ma terial ab. Kürzlich gelang der Arbeitsgruppe um Julia Kunze-Liebhäuser, Professorin für Physikalische Chemie an der Universität Innsbruck, der Nachweis, daß Kupfer als Ka talysator viel besser geeignet ist, als man bisher dachte. Sie publizierten ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Catalysis“. Effiziente Katalysatoren wandeln in einer Brennstoffzelle chemische in elektrische Energie um. Sie können auch in Elektrolyseuren zur Spaltung von Wasser oder zur Er - zeugung synthetischer Kraftstoffe fungieren. Eine Herausforderung bei der Entwicklung von Katalysatoren ist häufig die Suche nach dem passendem Material. „Bisher bestehen gut funktionierende Katalysatoren oft aus seltenen Elementen wie Platin oder Iridium, was sie sehr kostenintensiv macht“, erklärt Julia Kunze-Liebhäuser. WissenschaftlerInnen sind daher auf der Suche nach verfügbaren Alternativen. Hierbei hilft ihnen das jahrhundertealte Sabatierprinzip. „Dieses Prinzip besagt, daß ein gutes Katalysatormaterial die an der Reaktion beteiligten Moleküle nicht zu stark und nicht zu schwach binden sollte. Die Bindung sollte stark genug sein, um die Reaktion zu aktivieren, allerdings auch schwach genug, um die Moleküle nicht für immer an sich zu binden und so die Re - aktion zum Erliegen zu bringen“, erläutert die Chemikerin. „Viele Materialien erfüllen leider nicht dieses Prinzip, da Moleküle entweder alle stärker oder alle schwächer ge - bunden werden, während man oft Substanzen bräuchte, die gezielt bestimmte Moleküle stärker, andere aber schwächer an ihre Oberfläche anlagern.“ Wissenschaft & Technik Aktiv = dynamisch Kupfer ist als Katalysator viel besser geeignet ist, als man bisher dachte Foto: Universität Innsbruck / Andrea Auer Künstlerische Darstellung der sich dynamisch verändernden Katalysatoroberfläche. Dynamische Clusterbildung In ihrer eben in „Nature Catalysis“ er - schienenen Arbeit konnte das Team um Julia Kunze-Liebhäuser in Kooperation mit Prof. Karsten Reuter vom Fritz-Haber-Institut Berlin zeigen, daß Kupfer eine ganz eigene Lösung zu diesem Problem gefunden hat. Bei der Elektrooxidationsreaktion von Kohlenmonoxid, dem wichtigsten Zwischenprodukt bei der Oxidation von Brennstoffen in Brennstoffzellen, beobachteten sie, daß sich die Oberfläche eines Kupfer-Katalysators während der Reaktion verändert. „In der Li - teratur ist Kupfer als für diese Reaktion in - aktiv beschrieben, und auch unsere Berechnungen zeigten, daß ein Kupfer-Katalysator eigentlich nicht funktionieren sollte. Im Ex - periment konnten wir allerdings eine hohe elektrokatalytische Aktivität messen“, be - schreibt Kunze-Liebhäuser. Um diesem wi - dersprüchlichen Ergebnis auf die Spur zu kommen, schauten die WissenschaftlerInnen genauer hin und fanden mit dem Rastertunnelmikroskop die Erklärung für die hohe Ak - tivität des Kupferkatalysators: „Wir haben herausgefunden, daß Kupfer während der Re aktion seine Oberfläche verändert und sich »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at 116 hier laufend kleine Inseln aus wenigen Kupfer-Atomen bilden. In diesen hervorstehenden, nur nanometergroßen Clustern speichert sich, lokal abgegrenzt, unter der angelegten Spannung die Ladung adsorbierender Moleküle, was zu fundamental anderen Bindungs - eigenschaften führt.“ Diese Fähigkeit von Kupfer, seine Bindungsstärke für geladene und neutrale Moleküle durch nanometrische Cluster auf der Katalysatoroberfläche separat und entkoppelt zu verändern, könnte einen komplett neuen Zugang zur Erfüllung des Sabatierprinzips darstellen. Bei Kupfer bilden sich diese Cluster spontan; die Arbeitsgruppe um Julia Kunze-Liebhäuser will nun in Zukunft erforschen, ob diese Cluster auch gezielt erzeugt werden können. n https://www.uibk.ac.at/

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 194 / 17. 09. 2020 Wissenschaft & Technik Das Gitter mit Spezialbegabung Eine verblüffende Konstruktionsmethode für gekrümmte Strukturen wurde an der TU Wien entwickelt: Mit einem Handgriff werden flache Gitter zur 3D-Form. Wie kann man etwas Flaches zu etwas Dreidimensionalem machen? In der Architektur und im Design spielt diese Frage oft eine wichtige Rolle. Ein Mathematik- Team der Technischern Universtität (TU) Wien präsentierte nun eine Technik, die dieses Problem erstaunlich einfach löst: Man wählt eine beliebige gekrümmte Fläche und kann aus ihrer Form ein flaches Gitter aus geraden Stäben berechnen, das sich mit einer einzigen Bewegung ausklappen läßt und die gewünschte Fläche approximiert. Dabei entsteht eine stabile Form, die unter mechanischer Spannung steht und sogar größere La - sten tragen kann. Der Schritt in die dritte Dimension Angenommen, man schraubt gewöhnliche gerade Stäbe rechtwinkelig zu einem Git ter zusammen, sodaß ein völlig regelmässiges Muster aus kleinen Quadraten entsteht. Ein solches Gitter kann man verzerren: Alle Winkel des Gitters ändern sich gleichzeitig, parallele Stäbe bleiben parallel, aus den Quadraten werden Parallelogramme. Das ändert aber nichts daran, daß sich alle Stäbe in derselben Ebene befinden. Die Struktur ist immer noch flach. Die entscheidende Frage ist nun: Was pas siert, wenn die Stäbe anfangs nicht parallel sind, sondern in unterschiedlichen Winkeln aneinandergefügt werden? „Ein solches Gitter läßt sich nicht mehr innerhalb der Ebe - ne verzerren“, erklärt Przemyslaw Musialski. „Wenn man es aufklappt, müssen sich die Stäbe biegen. Sie weichen in die dritte Di - men sion aus und ergeben eine gewölbte Form.“ Am Center for Geometry and Computational Design (GCD) bzw. dem Institut für Diskrete Mathematik und Geometrie der TU Wien entwickelte Musialski mit seinem Team ein Verfahren, mit dem man berechnen kann, wie das flache, zweidimensionale Gitter aussehen muß, um im aufgeklappten Zustand genau die gewünschte dreidimensionale Form zu ergeben. „Unsere Methode basiert auf Er - kenntnissen der Differentialgeometrie, sie ist relativ einfach und braucht keine aufwändigen Computersimulationen“, sagt Stefan Pill - wein, Erstautor der aktuellen Publikation, die auf der renommierten Konferenz SIG- Foto: TU Wien Foto: TU Wien Auch komplizierte Strukturen lassen sich aus einfachen 2D-Gittern herstellen. Stephan Pillwein mit der 3D-Struktur GRAPH präsentiert und im Fachjournal „ACM Transactions on Graphics“ publiziert wurde. Experimente mit dem Laserscanner Die selbstentwickelten mathematischen Me thoden probierte das Team der TU Wien dann auch in der Praxis aus: Die berechneten Gitter wurden aus Holz gebaut, zusammengeschraubt und aufgeklappt. Die entstehenden 3D-Formen wurden anschließend mit einem Laserscanner vermessen. So ließ sich »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at 117 beweisen, daß die entstandenen 3D-Strukturen tatsächlich ausgezeichnet mit den be - rechneten Formen übereinstimmen. Nun wurde sogar ein Mini-Pavillondach hergestellt; in der Größe von 3,1 x 2,1 x 0,9 Metern. „Wir wollten wissen, ob diese Technik auch im Großen funktioniert – und das ist bestens gelungen“, sagt Stefan Pillwein. „Ein simples 2D-Gitter durch eine einzige Aufklappbewegung in eine 3D-Form zu verwandeln sieht nicht nur verblüffend aus, sie hat viele technische Vorteile“, sagt Przemyslaw Musialski. „Solche Gitter sind einfach und günstig zu fabrizieren, sie können leicht transportiert und aufgebaut werden. Unsere Methode erlaubt, auch anspruchsvolle Formen zu erzeugen, nicht nur einfache Kuppeln.“ Auch statisch haben die Strukturen sehr gute Eigenschaften: „Die gebogenen Elemente stehen unter Spannung und haben eine natürliche strukturelle Stabilität – in der Architektur bezeichnet man das als Active Bending“, erklärt Musialski. Mit sehr dünnen Stäben können sehr große Distanzen überspannt werden. Für Architektur-Anwendungen ist das optimal. Das Verfahren wurde mit Unterstützung des Forschungs- und Transfersupports der TU Wien bereits zum Patent angemeldet. n https://www.tuwien.at/

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