Physik

Im Mittelpunkt der Arbeiten der AG Nienhaus steht die Frage, wie chemische Energie direkt in elektrische umgewandelt wird. Dabei werden einfache Reaktionen zwischen Gasen und Metall­oberflächen studiert, wie sie alltäglich in Umwelt und Technik stattfinden. In der Gruppe werden spezielle chemische Sensoren auf Silizium-Basis entwickelt und hergestellt, die einen elektrischen Strom liefern, wenn reaktive Gasteilchen auf­treffen – vergleichbar mit einer Solarzelle, die mit Licht beschienen wird. Diese Methode erlaubt präzise Messungen des Reaktionsverlaufs und der Energieumwandlungsprozesse, da die Stromstärke ein direktes Abbild der Reaktionsrate ist. Die jüngsten Studien fokussieren sich auf die Oxidation von Magnesium, Aluminium und Kalium durch reinen Sauerstoff. Das sind zwar alltägliche ­Reaktionen, aber sie werfen immer noch viele ungeklärte Fragen auf. Die Arbeiten konnten an Kaliumoberflächen die unterschiedlichen Umwandlungswege von chemischer in elektrische Energie erstmalig getrennt voneinander unter­suchen. Als treibende Kraft hinter diesen Prozessen wurde die ultraschnelle Bewegung der Sauerstoffatome im Molekül während der Reaktion iden­tifiziert. Überraschenderweise ist ein Ausein­anderbrechen des Moleküls dafür nicht erforderlich, was bis dahin als essentiell galt. Ein besonders auffälliger Quanteneffekt erscheint an nanometerdünnen Magnesiumfilmen. Bei bestimmten Filmdicken oxidiert das Metall doppelt so effektiv wie im Normalfall. In solchen Filmen werden die Metallelektronen auf einer charakteristischen Länge eingesperrt. Die Größe dieses ‚Gefängnisses‘ manipuliert die Reaktivität der Oberfläche ­massiv, weil bei der Oxidation Elektronen vom Metall in das Molekül übergehen.