Neue Klasse von Materialien: Die ZIP-Phasen

Eine neue Revolution von der Metallurgie zur Materialwissenschaft: Ein Forschungsteam unter der Leitung von Assistenzprofessor Matheus A. Tunes vom [X-MAT] – Labor für Metallurgie in extremen Umgebungen am Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie der Montanuniversität Leoben – hat in der Fachzeitschrift Advanced Materials eine bahnbrechende Studie veröffentlicht. Darin wird eine völlig neue Familie nanostrukturierter intermetallischer Materialien vorgestellt: die sogenannten ZIP-Phasen. Diese Verbindungen eröffnen ein breites Spektrum potentieller Anwendungsmöglichkeiten, die von der Elektronik und Batterien der nächsten Generation bis hin zu Quantencomputing und intelligenten Geräten reichen.

Bei den ZIP-Phasen, kurz für „Zickzack-Intermetallphasen“, handelt es sich um eine neue Klasse von Materialien, die sich durch ihre einzigartige atomare Struktur auszeichnen. Sie existieren in zwei Strukturvarianten: einer kubischen Diamantstruktur und einer hexagonalen Nanolaminatstruktur. Durch ihre Dualität verbinden diese Materialien metallische Eigenschaften, Ionenbindung und charakteristische Zickzack-Atommuster auf bemerkenswerte Weise. „Die Entdeckung der ZIP-Phasen markiert den Beginn eines völlig neuen Ökosystems nanostrukturierter Materialien“, erklärt Ass.-Prof. Matheus A. Tunes, Erstautor und leitender Forscher des Projekts.

Erfolgreiche Synthese und neue Perspektiven

Mithilfe moderner pulvermetallurgischer Synthese gelang es Tunes und seinem Team, ZIP-Phasen in mehreren ternären Systemen herzustellen. Ein entscheidender Durchbruch war die skalierbare Synthese nahezu phasenreiner ZIP-Verbindungen im Nb–Si–Ni-System. Dadurch wurde der Weg für eine detaillierte strukturelle und eigenschaftsbezogene Charakterisierung geebnet.

Die Studie zeigt, dass ZIP-Phasen strukturell mit den bekannten MAX-Phasen vergleichbar sind, dieses Konzept jedoch deutlich über das Periodensystem hinaus erweitern. Die in der Arbeit vorgestellten computergestützten Studien deuten darauf hin, dass ZIP-Phasen in 2D-Derivate exfoliert werden können und damit Potenzial für flexible Elektronik, magnetische Sensorik und zahlreiche weitere Anwendungen mitbringen. Die Ergebnisse des Teams bestätigen darüber hinaus nicht nur frühere Vorhersagen der Materialwissenschaft zu nanostrukturierten Materialien, sondern eröffnen damit völlig neue Wege für die interdisziplinäre Forschung.

Das [X-MAT]-Team etabliert gegenwärtig internationale Kooperationen mit mehreren Forschungseinrichtungen und Universitäten zur Herstellung von ZIP-Phasen und zur Charakterisierung ihrer Eigenschaften.

Zur Person

Matheus A. Tunes startete seine wissenschaftliche Laufbahn an der Universität São Paulo, wo er seinen Bachelor in Physik erwarb und seinen Master in Material Science und Metallurgie absolvierte. Seine Dissertation schrieb er an der University of Huddersfield in Großbritannien und dem Oak Ridge National Laboratory in den USA, bevor er 2019 als Postdoktorant an die Montanuniversität Leoben kam. Während dieser Zeit entwickelte er die Idee, MAX-Phasen-ähnliche Materialien ohne Kohlenstoff oder Stickstoff herzustellen – ein Konzept, das später in den ZIP-Phasen seinen konkreten Ausdruck fand. Nach einer Anstellung als Director’s Fellow im Los Alamos National Laboratory (USA) ist der Wissenschaftler seit 2023 Assistenzprofessor am Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie der Montanuniversität Leoben und Leiter des Labors [X-MAT].

Zugang zum vollständigen Artikel: https://doi.org/10.1002/adma.202308168.

Kontakt:
Ass.-Prof. Matheus A. Tunes, BSc MSc PhD MinstP
Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie
Montanuniversität Leoben
Tel.: +43 3842 402 – 5236
E-Mail: matheus.tunes(at)unileoben.ac.at
Website: https://x-mat.unileoben.ac.at