An Materialgrenzen entscheiden oft kleinste Veränderungen darüber, wie Stoffe miteinander reagieren. Ein Forschungsteam am Leibniz-IPHT hat nun gezeigt, dass Cyanid-Bindungen in einer speziellen Materialklasse ihre Struktur verändern können – gesteuert durch den Oxidationszustand von Kobalt und die Wechselwirkungen mit der darunterliegenden Oberfläche.

Wie ein Schalter, der mit einem Impuls umgelegt wird, kann eine feine Anpassung an der Oberfläche eines Materials eine tiefgreifende strukturelle Veränderung auslösen. Forschende am Leibniz-IPHT haben diesen Mechanismus erstmals experimentell sichtbar gemacht: In Prussian-Blue-Analoga (PBA) – Materialien, die unter anderem in Batterien und Katalysatoren eingesetzt werden – ordnen sich Cyanid-Bindungen neu, wenn sich der Oxidationszustand von Kobalt ändert.

„Grenzflächen sind mehr als nur Übergänge zwischen Materialien“, sagt Erstautor Dr. Ratnadip De. Während seiner Promotion am Leibniz-IPHT, die er 2024 abschloss, untersuchte er, wie chemische Prozesse an diesen Schnittstellen ablaufen. „Hier können sich die elektronischen Eigenschaften eines Stoffs grundlegend verändern.“

Die Studie entstand in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Ferdi Karadas von der Bilkent Universität in Ankara. Der Experte für photokatalytische Materialien verbrachte als Humboldt-Stipendiat ein Jahr in Jena und forschte dort mit De und dem Team um Prof. Dr. Benjamin Dietzek-Ivanšic´, Leiter der Forschungsabteilung Funktionale Grenzflächen. Gemeinsam untersuchten sie PBA-Schichten auf Zinkoxid-Oberflächen und analysierten, wie sich die chemische Struktur dieser Materialien unter bestimmten Bedingungen verändert.

Mithilfe der Schwingungs-Summenfrequenz-Spektroskopie (VSFG) machte das Team die Umlagerung der Bindungen sichtbar. Die Messungen zeigten: Sobald Kobalt an der Grenzfläche von einer Oxidationsstufe in die nächste wechselt und dabei die Position der Cyanid-Ionen verändert, kehrt sich die Cyanid-Brücke zwischen Kobalt und dem benachbarten Eisenatom um. „Es ist, als würde ein Schalter umgelegt – eine kleine Veränderung setzt eine strukturelle Neuordnung in Gang“, erklärt De.

Weitere Analysen, darunter Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), die gemeinsam mit Forschenden der Universität Jena durchgeführt wurde, offenbarten einen Zusammenhang zwischen diesem Effekt und Defekten in der Materialstruktur. „Grenzflächen sind keine statischen Übergänge“, sagt Dietzek-Ivanšic´. „Sie sind aktive Orte chemischer Prozesse. Wenn es gelingt, die Bildung, Auflösung oder Neuordnung chemischer Bindungen an diesen Grenzflächen gezielt zu steuern, lassen sich Materialien noch präziser für Anwendungen wie Energiespeicherung und Katalyse optimieren.“