Ein Stoff namens Zirkoniumwolframat verhält sich bei Hitze äußerst kurios: Er dehnt sich nicht wie nahezu alle anderen Substanzen aus, sondern zieht sich zusammen. Amerikanische Physiker sind jetzt seinem Geheimnis auf die Spur gekommen. Während die Teilchen in den meisten Stoffen stärker schwingen und damit mehr Platz brauchen, wenn die Temperatur steigt, verdrehen sich die Atome im Zirkoniumwolframat gegeneinander und rutschen dadurch näher zusammen. Das berichten Zack Schlesinger von der Universität von Kalifornien in Santa Cruz und seine Kollegen im Fachmagazin Physical Review Letters (Online-Vorabveröffentlichung vom 22. November).
Bereits seit mehreren Jahren kennen Forscher das ungewöhnliche Verhalten der Zirkonium– Wolfram-Verbindung. Warum sie jedoch in der Hitze schrumpft, war bislang völlig unklar. Schlesinger und seine Kollegen bestrahlten nun Proben von Zirkoniumwolframat mit infrarotem Licht und erhöhten dabei die Temperatur. Aus dem reflektierten Licht konnten sie dann Rückschlüsse darauf ziehen, wie die Atome zueinander schwingen.
Dabei entdeckten die Wissenschaftler ein Phänomen, das sie bei der wohlgeordneten molekularen Struktur nicht erwartet hätten ? die sogenannte geometrische Frustration. Das ist eine Verzerrung im dreidimensionalen Raum, wenn Atome sich nicht so anordnen können, wie sie es eigentlich am liebsten möchten. Bei einer höheren Temperatur haben die Teilchen jedoch mehr Energie zur Verfügung: Sie beginnen zu rotieren und gleichzeitig hin- und herzupendeln ? und können auf diese Weise die Frustration umgehen.
An der Zirkonium-Wolfram-Verbindung ist besonders einzigartig, dass sie über einen sehr großen Temperaturbereich schrumpft: Sie zieht sich von etwa ?270 bis über 1000 Grad Celsius gleichmäßig von allen Seiten zusammen. Das ungewöhnliche Temperaturverhalten ist besonders für Werkstoffwissenschaftler interessant. Sie könnten Materialien, die bei Hitze schrumpfen, mit Stoffen mischen, die sich ausdehnen. Dann ließe sich möglicherweise eine Volumenänderung vollständig vermeiden.
ddp/bdw ? Barbara Witthuhn
