ICSD und Materialforschung

JAICI spricht mit prominenten japanischen Nutzern

Von der Leidenschaft für transparente Oxide zu neuen Entdeckungen über dieses Fachgebiet hinaus

Professor Hideo Hosono
Professor Hideo Hosono
(Laboratory for Materials and Structures, Institute of Innovative Research - Tokyo Institute of Technology/Japan)

Associate Professor Satoru Matsuishi (Materials Research Center for Element Strategy - Tokyo Institute of Technology/Japan)
Associate Professor Satoru Matsuishi
(Materials Research Center for Element Strategy - Tokyo Institute of Technology/Japan)

Assistant Professor Soshi Iimura
Assistant Professor Soshi Iimura
(Laboratory for Materials and Structures, Institute of Innovative Research - Tokyo Institute of Technology/Japan)


JAICI: Dr. Hosono, bitte erzählen Sie uns vom Gegenstand Ihrer Forschung.
Dr. HOSONO: Ich beschäftige mich intensiv mit transparenten Oxiden wie Glas, seit ich 1982 meine Forscherlaufbahn begonnen habe. Ich bin 1993 ans Tokyo Institute of Technology gekommen und habe damals auch „Die Herstellung elektronischer Funktionsmaterialien unter Verwendung von transparenten Oxiden” zum grundlegenden Thema meiner Forschung gemacht. Da damals jedoch hauptsächlich amorphes Silizium als Halbleiter verwendet wurde, wurden wir, d.h. diejenigen, die an amorphen Oxiden wie Glas forschten, als Häretiker innerhalb der Halbleiterindustrie betrachtet. Trotzdem halte ich die Entwicklung des dünnen Folientransistors (IGZO-TFT)  auf der Basis von In-Ga-Zn-O für eine der Errungenschaften der von meinem Wunsch, Neues auszuprobieren, angetriebenen Forschung. Inzwischen verwendet man das Material in Tablet-PCs und Smartphones, aber es bewegt mich zutiefst, mir klarzumachen, dass es niemand zur Kenntnis nahm, als es damals vorgestellt wurde.

JAICI: Dr. Hosono, Ihr Name steht auf der Liste der aussichtsreichen Kandidaten für den Nobelpreis, nicht wahr?
Dr. HOSONO: Das kommt wahrscheinlich daher, dass der 2008 veröffentlichte Aufsatz über „Die Entdeckung eisenhaltiger Supraleiter” inzwischen weltweit am meisten zitiert wird. Vorher war man allgemein der Auffassung, dass ein stark magnetisches Element wie Eisen nicht supraleitend sein könne, aber diese Forschungsarbeit hat die allgemeine Meinung geändert. Und, was den Grund betrifft, der zur Entdeckung von Eisen führte – das lag wohl daran, dass wir neben der Forschung an den transparenten Oxiden weiterhin daran forschten, „Halbleitern magnetische Eigenschaften zu verleihen“. Dabei haben wir versucht zu testen, welche elektrische Eigenschaft man erzielen kann, wenn man in einer überwiegend aus Eisen bestehenden Arsenoxid-Verbindung (LaFeAsO) Sauerstoffionen durch Fluoridionen ersetzt, aber als Ergebnis erhielten wir einen Supraleiter. Ionen durch solche von gleicher Größe zu ersetzen, ist ein in der Halbleiterforschung gängiges Verfahren, aber hier hat es der Supraleiterforschung eine neue Entdeckung beschert. Es ist ein gutes Beispiel dafür, wie die Erfahrung mit verschiedenen Umgebungen und das Überschreiten von Grenzen zu neuen, fachgebietsüberschreitendenden Entdeckungen jenseits der landläufigen Meinung führen kann.

Kristallstruktur von LaFeAsO (Coll Code 173432) © ICSD (FIZ Karlsruhe)
Kristallstruktur von LaFeAsO (Coll Code 173432) © ICSD (FIZ Karlsruhe)
erstellt mit dem 3D-Visualisierungsprogramm VESTA
 

Zur Datenbanknutzung braucht man eine innovative Idee und Perspektive


JAICI: Was sollte man von einer Datenbank erwarten?
Dr. HOSONO: Ich denke, am wichtigsten sind Genauigkeit und Vollständigkeit. Wenn man beispielsweise die Größe von Lücken innerhalb einer Kristallstruktur bestimmen möchte, behindert es die Forschung sehr stark, wenn die Daten fehlerhaft sind. Außerdem verzögert es, unabhängig von bereits bekannten numerischen Werten, die Forschung, wenn die Daten in keiner Datenbank gespeichert sind, weil man dann andere Methoden zur Informationsbeschaffung in Erwägung ziehen muss. Wenn also Zweifel hinsichtlich der Genauigkeit und der Vollständigkeit einer Datenbank bestehen, wird sie wertlos, meine ich.

JAICI: Wie nutzen Sie Datenbanken in Ihrer gängigen Forschung?
Dr. HOSONO: Eine Datenbank liefert keine Idee, wenn man sie einfach nur anschaut. Ich glaube, die Gewissenhaftigkeit eines Forschers kann man daran erkennen, wie er oder sie eine Datenbank nutzt. Ich selbst nutze Datenbanken häufig, um Substanzen zu finden, die der aktuellen Forschungspolitik oder neuen Ideen dienen. Man kann sagen, das Wesentliche der Wissenschaft besteht darin, seinen Verstand und seine Erfahrung zu nutzen, um den geeigneten Ansatz zur Entdeckung einer gewünschten Substanz zu finden.

Tatsächlich meine ich, dass jeder Forscher die Datenbanken auf seine Weise nutzen sollte. Suchbegriffe, die für manche Forscher nützlich sind, nutzen nicht unbedingt anderen Forschern. Beispielsweise bietet es sich in manchen Fällen an, die Suche mit dem echten Raumgitter zu beginnen, während es in anderen Fällen besser ist, mit dem reziproken Raumgitter zu beginnen. Ich hoffe, dass diejenigen, die jetzt mit ihren Forschungen beginnen, auf jeden Fall mit Versuch und Irrtum arbeiten.
 
Dr. MATSUISHI: Wenn jemand die Struktur einer neu hergestellten Substanz analysieren möchte, gibt es meiner Meinung nach auch den Aspekt des Hinterfragens des „Vorgehens“ eines Forschers, wie Herr Hosono oben anmerkte. Auch wenn z. B. keine Daten zur gesuchten Substanz vorliegen, kann es sein, dass es Informationen über Substanzen mit ähnlicher Struktur und Zusammensetzung gibt. Ich meine, man muss immer in der Lage sein, bei Verwendung einer Datenbank die jeweils geeignete Suchstrategie zu finden. 

Ich glaube auch, dass eine umfassende Datenbank wesentlich dazu beitragen wird, die Neuheit eines Forschungsthemas zu beweisen.  Wenn die Informationen zu einer bestimmten Substanz in keiner Datenbank vorhanden sind, können wir stark davon ausgehen, dass diese Substanz neu und innovativ ist, und dies wird uns auch dazu anspornen, unsere Forschung voranzutreiben. Wenn ein Forscher nach einer Recherche feststellt, dass das Gesuchte nicht existiert, sollte er oder sie sich freuen.

Mr. IIMURA: Selbst wenn „Suchen nach Lücken in der Kristallstruktur“ eine der Zielsetzungen ist, ist es nicht möglich, die Gesamtstrategie der Suche zu verstehen, ohne die physikalischen Eigenschaften der gesuchten Substanz zu berücksichtigen. Tatsächlich hängt die Interpretation von „Lücken in der Kristallstruktur“ stark vom Forscher ab. Beispielsweise nutzen einige Forscher den Ionenradius als Rechenkriterium, wogegen andere den Atom- oder Metallradius verwenden. Die Datenbanknutzung wird stark davon beeinflusst werden, wie die Suchbedingungen festgelegt werden können. Ich glaube, eine innovative Nutzung ist sehr schwer, wenn man keine Idee im Hinterkopf hat.

JAICI:Was erwarten Sie von zukünftigen Datenbanken?
Dr. HOSONO: Ich finde, es ist besser, wenn es Datenbanken gibt, die als Lehrmaterialien verwendet werden können. In ICSD z.B. können Kristallstrukturen dreidimensional angezeigt werden, so dass man sie von verschiedenen Blickwinkeln aus betrachten kann. Die Kristallstruktur ergibt sich durch das Zusammenwirken der inneren Energien. Ich glaube, die direkte Betrachtung der Kristallstrukturen hilft den Forschern, deren Aufbau zu  verstehen. Es gibt viel zu lernen, z.B. über das Verhältnis zwischen Winkel und Abstand von Si-O-Si, die Energie und Bindungsstärke, sogar für gewöhnliche Substanzen wie SiO2, die man schon aus dem Grundstudium kennt. Ich denke, wenn man schon frühzeitig eine Vorstellung davon bekommt, wie man eine Kristallstruktur bestimmt, wird das bei der Entwicklung neuer Ideen in der zukünftigen Forschung hilfreich sein.


Verlässlichkeit von ICSD durch Verlinkung auf die Originaldokumente


JAICI: Wann haben Sie begonnen, mit ICSD zu arbeiten?
Dr. HOSONO: Ich nutze ICSD schon seit ca. 15 Jahren. Wir alle nutzen ICSD in unserem Labor.  Wie ich schon sagte, muss eine Datenbank genau und umfassend sein, und deshalb ist ICSD eine der verlässlichen Datenbanken. Der Grund dafür ist, dass die Datenbankeinträge exakte Informationen zum entsprechenden Dokument enthalten. Wenn man das Originaldokument nicht nachweisen kann, ist die Verlässlichkeit der Daten zweifelhaft. Außerdem kann das Lesen der entsprechenden Veröffentlichungen manchmal zu neuen Ideen führen. Wenn ich einen Vorteil von ICSD nennen müsste, wäre es dieser.

JAICI: Ist es schon vorgekommen, dass tatsächlich eine neue Idee entstanden ist?
Dr. HOSONO: Während unserer Forschung an Supraleitern auf Eisenbasis haben wir den Supraleiter mit Hydrid angereichert. Obwohl Seltene Erden normalerweise dreiwertig sind, habe ich, als ich ICSD darauf hin konsultierte, festgestellt, dass die Hydride unter den Seltenen Erden auch in zweiwertigem Zustand existieren, z.B. als LaH2 und SmH2. Mir wurde klar, dass es möglicherweise ein interessantes System gibt, in dem sich die Wertigkeit, die allgemein als unveränderlich gilt, tatsächlich ändert. Das war einer der Auslöser für die Entwicklung von LaFeAsO.

JAICI: Dr. Hosono meint also, die Entwicklung des Supraleiters auf Eisenbasis kam dadurch zustande, dass ICSD mit einem außergewöhnlichen Ansatz verwendet wurde.
Dr. HOSONO: Ich bin der Meinung, dass man sowohl in der Chemie als auch in der Physik ICSD auf geschickte Weise nutzen kann.  Wer sich mit Festkörperphysik beschäftigt, wird wahrscheinlich an physikalischen Eigenschaften interessiert sein, nach der Substanz suchen und so vielleicht eine neue Art entwickeln, die Datenbank mit seinen eigenen Suchmethoden zu nutzen.

Grenzen zwischen den Fachgebieten überwinden und nach neuen Lehrmethoden suchen


JAICI: Wie sieht der aktuelle Trend aus?
Dr. MATSUISHI: Mit aus vier Elementen bestehenden Substanzen hat sich die Forschung bislang kaum befasst. Substanzen, die aus zwei oder drei Elementen bestehen, findet man sicher in Datenbanken; auf der anderen Seite ist dieses Gebiet bereits von anderen Forschern erschöpfend behandelt worden, so dass es schwer ist, hier innovativ zu sein.  Jedoch können, je nach Synthesebedingungen, sogar Substanzen, die aus denselben Elementen bestehen, unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen, so dass man verschiedene Fälle gesondert betrachten muss.
Dr. HOSONO: Ich glaube, es gibt immer mehr Menschen, die die ungefähren physikalischen Eigenschaften berechnen,   da sich die Rechnerkapazitäten gegenüber früher deutlich verbessert haben. Selbst beim Durchsuchen von Datenbanken scheint es, dass man zunehmend auch Ergebnisse erhält, die nur durch Berechnungen erzielt wurden. Es ist noch immer schwierig, detaillierte physikalische Eigenschaften wie die Elektronenkorrelation ausschließlich auf rechnerischem Wege zu ermitteln, aber wenn Stabilität oder Gitterkonstante gegeben sind, sind die Berechnungen einfach. Die Tendenz, auf diese Weise Berechnungen anzustellen, ist steigend, so dass man sagen kann, dass das für die Forschung erforderliche Niveau ständig steigt.

JAICI: Was planen Sie für die Zukunft?
Dr. HOSONO: Nun, ich habe schon immer daran gedacht, ein neues Lehrbuch zu verfassen. Es gibt nämlich ein steigendes Bewusstsein dafür, dass die Welt ein neues Lehrbuch für die Lehre jenseits der Einteilungen der Chemie in organisch, anorganisch und metallisch braucht. Ich glaube, die derzeitige Lehre in der Chemie befindet sich in einem Zustand der sogenannten polynomischen Ausdehnung, aber die menschliche Gehirnkapazität ist unweigerlich begrenzt. Daher wäre es meiner Meinung nach besser, dem Gehirn nicht das gesamte, sondern ein in Faktoren zerlegtes Wissen zu vermitteln.
Die Menschen möchten neue Substanzen, weil sie nach neuen Anwendungen suchen. Und, was das betrifft, wie man eine bestimmte Funktion erreichen kann - die Funktion wird durch die Eigenschaften bestimmt, die sich aus dem Zusammenwirken der einzelnen Bestandteile der Substanz ergeben. In der bisherigen Chemie-Lehre musste man sich an die Grundbestandteile wie Elemente und Moleküle erinnern, ohne Interesse an Funktion und physikalischen Eigenschaften. In Zukunft wird die Lehre uns jedoch hinsichtlich Funktion und physikalischen Eigenschaften  befähigen müssen, Daten  unseren eigenen Zielsetzungen entsprechend zu verwalten und zu nutzen. Ich würde gerne ein Lehrbuch schreiben, dessen Schwerpunkt nicht auf der Einteilung in organisch, anorganisch und metallisch liegt, um die Grenzen zwischen Fachgebieten wie Physik und Chemie zu überwinden.

Natürlich sind die derzeitigen Lehrbücher im Bereich der anorganischen Chemie auch sehr fortschrittlich und gut, viel fortschrittlicher als zu meiner eigenen Studienzeit. Ich denke, die Beschäftigung mit Hochtemperatur-Supraleitern in den 1990ern hat wesentlich zu dieser Entwicklung beigetragen.  Durch die Entwicklung von Hochtemperatur-Supraleitern hat sich die Physik mehr und mehr der anorganischen Chemie angenähert, und viele Materialien wurden mit ihren elektronischen Eigenschaften verlinkt. Dies wurde möglich, weil die Grenzen zwischen den Fachgebieten überwunden wurden. Ich glaube, von jetzt an können wir nach und nach die allgemein üblichen Einteilungen in der Chemie – z.B. in organisch, anorganisch, und metallisch – auflösen.

JAICI: Für heute vielen Dank.
(Das Originalinterview wurde in japanischer Sprache geführt.)