Berlin/Palo Alto - Wissenschaftler am Fritz-Haber-Institut und am Forschungszentrum in Palo Alto/USA haben mit aufwändigen Computersimulationen eine universell gültige Regel entdeckt. Mit dieser kann man künftig genau vorhersagen, wie Wasserstoff die Eigenschaften von unterschiedlichen Systemen wie Halbleitern, Isolatoren und Lösungsmitteln beeinflusst. In der Zukunft wird es dadurch viel leichter, das Verhalten von Wasserstoff in neuartigen bzw. in neu zu entwickelnden Materialsystemen vorauszusagen, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift Nature. Anwendungen ergeben sich u.a. bei der Entwicklung von ultravioletten Laserdioden, die für die nächste Generation von DVD-Spielern benötigt werden, für die drahtlose Kommunikation, für Wasserstoffspeicher und Brennstoffzellensystemen.

Wegen der geringen Größe seiner Atome wird Wasserstoff häufig auch innerhalb von Materialien eingebaut, wo er ganz wesentlich die Materialeigenschaften beeinflusst. Um neue Materialien entwickeln bzw. vorhandene verbessern zu können, ist das Verständnis sowie die Prognose, wie sich Wasserstoff in unterschiedlichen Materialien oder Lösungen verhält, wichtig. Eine der wichtigsten Eigenschaften von Wasserstoff ist seine Fähigkeit, Elektronen aus einem Material aufnehmen bzw. an das Material abgeben zu können. Dank dieser Eigenschaft wirkt Wasserstoff in vielen Materialien wie ein Schwamm. Er saugt überschüssige Elektronen oder Löcher (fehlende Elektronen) einfach auf. Defekte im Material macht er somit dank seines schwammartigen Charakters unschädlich.

Schlüsselgröße Übergangsniveau

Eine Schlüsselgröße, um dieses Verhalten von Wasserstoff zu beschreiben, ist das so genannte Übergangsniveau. Bisher gab es aber keine einfache Regel dieses Niveau genau zu bestimmen bzw. vorherzusagen. Chris G. Van de Walle vom Palo Alto Research Center (PARC) im Silicon Valley/Kalifornien und Jörg Neugebauer vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft berechneten nun systematisch die Übergangsniveaus des Wasserstoffs verschiedener Materialklassen mit modernen Hochleistungscomputern. Dabei entdeckten sie, dass diese Niveaus einheitlich ausgerichtet sind und praktisch auf einer Linie liegen. Diese Ausrichtung ist dabei nicht auf einzelne Materialklassen beschränkt, sondern völlig universell. Sie gilt für so verschiedene Systeme wie Halbleiter, Isolatoren oder sogar für Flüssigkeiten.

"Zu unserer großen Überraschung stellten wir fest, dass das Übergangsniveau nicht materialabhängig ist, auch wenn der Wasserstoff völlig unterschiedlich in verschiedene Materialien eingebaut wird. Unsere Regel verbindet damit bisher als getrennt betrachtete Gebiete wie die Materialforschung und die Biochemie des Lebens", erklärte Neugebauer. (pte)