Kurzfassung

Plasmakristalle

Moritz Plötzing, Binia Neuer, Benedikt Lorbach

Im Jahr 1994 gelang es erstmals den Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts zu Garching Plasmakristalle zu erzeugen. Als Plasmakristalle bezeichnet man Mikropartikel, die sich im Plasma elektrisch aufladen und unter bestimmten Bedingungen - über einer Elektrode schwebend - zu kristallinen Formen ordnen. Die Bedeutung der Plasmakristalle wird besonders dadurch deutlich, dass eines der ersten Experimente auf der Internationalen Raumstation (ISS) sich diesen widmete. Plasmakristalle eigenen sich nicht nur hervorragend zur Grundlagen­forschung, sie bieten auch viele neue Anwendungs­möglichkeiten. So zum Beispiel in der Nanotechnologie und Elektronik. Solarzellen, beschichtet mit den Kristallen aus dem Plasma, haben einen doppelt so hohen Wirkungsgrad wie herkömmlich beschichtete Zellen. Fasziniert von diesen Kristallen, setzten wir uns das Ziel, selbst Plasmakristalle herzustellen. Allerdings standen wir vor dem Problem, dass unsere Schule keineswegs mit der technischen Ausstattung des MPE Garching oder der ISS mithalten kann. Dies machte es uns nicht einfach, aber schon 2001 schafften wir es in einer SchüEx-Arbeit heiße Plasmen im Mikrowellenherd zu zünden. Für unser Vorhaben eigneten sich diese heißen Plasmen aber nicht. Wir schafften es nach langem Experimentieren mittels eines Teslatrafos und einer selbstgebauter Plasmakammer ein kaltes Plasma zu erzeugen, welches zur Kristallbildung unabdingbar ist. Lange mussten wir unseren Versuchsaufbau und unsere Apparatur verändern, bis wir letztendlich keine Plasmaschläuche und Feld­schwankungen, sondern ein homogenes Plasma in einer Argonatmosphäre bei sehr geringem Druck bekamen. Glücklich über diesen Fortschritt, machte uns jetzt die Einbringung der Mikropartikel große Sorgen. Wir lösten dieses Problem anfangs mit einem Lautsprecher und später mit einem selbstgebauten Dustdropper.

Wichtige Informationen bzgl. Plasmaphysik und Plasmakristalle sowie eine Feinstaubprobe "Microspheres" erhielten wir bei unserem Besuch der Christian-Albrechts-Universität in Kiel. Bei unseren Experimenten in Kiel stellten wir fest, dass unsere selbstgebaute Plasmakammer voll funktionsfähig war. Nur die Leistung unseres Teslatrafos war zu gering, um einen Dunkelraum zwischen der unteren Elektrode und dem Plasma zu erzeugen. Nur über diesem Dunkelraum können die Mikropartikel schweben. Freundlicher­weise stellte uns die RWTH-Aachen einen selbstgebauten 13,56 MHz-Sender zur Verfügung. Nachdem wir die Impedanz unserer Kammer an diesen Sender angepasst hatten, konnten wir ein Plasma mit Dunkelraum zünden. Nur wenige Tage später gelang uns dann die Erzeugung eines eigenen Plasmakristalls. Inzwischen experimentieren wir mit unterschiedlichen preiswerten Stäuben. Besonders stolz sind wir auf unser erstes organisches Plasma­kristall, welches wir aus Bärlappsporen erzeugt haben. Weiter haben wir es geschafft, unsere Staubpartikel von oben zu filmen. Man erkennt deutlich die hexagonale Struktur der Teilchenanordnung. Damit haben wir den Beweis erbracht, dass wir Plasmakristalle mit einfachen Mitteln erzeugen können.

Plasmakristall aus Microspheres

Unser erstes Plasma­kristall aus Micro­spheres

Plasmakristall aus Bärlappsporen

Plasma­kristall aus Bärlapp­sporen

Plasmakristall aus Xerox-Toner

Plasma­kristall aus Xerox-Toner

Miniforschung - St. Michael-Gymnasium Bad Münstereifel