Gefrierpunkt von Silizium-Gold-Legierungen schwankt je nach Unterlage um bis zu 120 Grad

Goldcluster als Frostschutz

Grenoble (Frankreich) - Ohne Kondensationskeim und in absoluter Ruhe bleiben Flüssigkeiten auch bei Temperaturen bis weit unter den Gefrierpunkt flüssig. In der Natur wappnen sich Pflanzen mit diesem Trick gegen den sonst zerstörerischen Winterfrost. Ein extremes Beispiel für solche unterkühlten Liquide fanden nun französische Wissenschaftler in einer Legierung aus Silizium und Gold. Wie sie in der Zeitschrift "Nature" berichten, konnten sie den Gefrierpunkt dieser Metalltropfen - abhängig von der Struktur der Unterlage – um bis zu 120 Grad Celsius herabsenken.

"Solche Prozesse sind wichtig für heutige und zukünftige Technologien", schreiben Tobias Schülli und seine Kollegen vom Institut Nanosciences et Cryogénie in Grenoble. Denn der Übergang zwischen flüssig und fest spielt eine Schlüsselrolle bei Schweißprozesse oder beim Züchten von Nanodrähten. Für ihre Analyse erhitzten die Forscher etwa 200 Nanometer große Haufen aus Goldatomen auf einer Siliziumunterlage. Gemischt mit Silizium, schmolz der Cluster bei etwa 363 Grad Celsius. Bei der anschließenden Abkühlung jedoch erstarrte der Tropfen nicht bei der gleich Temperatur, sondern erst bei 240 Grad.

Die Ursache für diesen beliebig wiederholbaren Effekt fanden die Wissenschaftler durch einen genauen Blick auf die Kristallstruktur mithilfe von Röntgenstrahlung. Denn an der Grenzschicht zwischen Metall und Flüssigkeit bildete sich aus Goldatomen eine Schicht aus symmetrischen, fünfeckigen Strukturen. Diese verhinderte die Kristallisation zu einem Festkörper trotz stark abgesenkter Temperatur. Zudem ordneten sich die Goldatome in Abhängigkeit von der atomaren Ausrichtung der Silizium-Unterlage zu diesen "Frostschutz-Strukturen" zusammen. "Diese Ergebnisse haben eine weitreichende Bedeutung nicht nur für die Grundlagen des Gefrierens, sondern auch für die praktische Kontrolle von Phasenübergängen", schreibt A. Lindsay Greer von der britischen University of Cambridge in einem begleitendem Kommentar.