WIEN / LONDON (IT BOLTWISE) – Ein Team der Universität Wien steuert die Porenform in hexagonalem Bornitrid („weißes Graphen“) auf atomarer Ebene. Im Ultrahochvakuum entstehen durch Elektronenbestrahlung kreisförmige Nanoporen; sobald kleine Mengen Sauerstoff hinzukommen, bilden sich dreieckige Poren. Die Arbeit zeigt damit, wie stark die umgebende Atmosphäre und nicht allein der Elektronenstrahl die resultierende Nanostruktur bestimmt. Damit rückt ein präziseres Nanoporen-Engineering für Filtration, DNA-Analyse, Katalyse und Quantentechnologien in greifbare Nähe.
In der Nanotechnologie gilt seit Jahren: Elektronen können nicht nur sichtbar machen, sondern auch verändern. Beim „weißen Graphen“ genannten hexagonalen Bornitrid (hBN) ist das besonders anschaulich, weil sich aus einer perfekt geordneten Atomlage durch gezielte Elektronenbestrahlung Defekte bis hin zu Nanoporen formen lassen. Die neue Studie aus Wien nimmt dabei eine Detailfrage ernst, die in vielen Anwendungen letztlich über die Leistung entscheidet: Welche Geometrie eine Pore annimmt – kreisförmig oder dreieckig – ist nicht nur eine Eigenschaft des Materials, sondern offenbar auch der Umgebung, in der der Elektronenstrahl wirkt.
Technisch startet der Ansatz mit einem Transmissionselektronenmikroskop, dessen Elektronen nicht nur Bilddaten liefern, sondern Atome aus dem Kristall herauslösen können. Das Wiener Team nutzt dafür ein Mikroskop in einer Umgebung mit ungewöhnlich gutem Vakuum und der Option, gezielt ausgewählte Gase in die Probenumgebung einzuleiten. Dadurch lässt sich der entscheidende Parameter isolieren: Im Ultrahochvakuum werden Bor- und Stickstoffatome beim fortgesetzten Beschuss in etwa gleichem Maß verdrängt – die resultierenden Poren werden überwiegend kreisförmig. Stickstoff-Zugabe zeigt dabei kaum Effekt, während selbst geringe Sauerstoffmengen das Porenmuster deutlich kippen.
Die Chemie wirkt dabei nicht im Hintergrund, sondern wird zum Treiber der Porenform. Laut den Ergebnissen führt die Zugabe von Sauerstoff zu dreieckigen Poren, und die Kanten tragen dabei Stickstoffatome. Sauerstoff „allein“ reichte demnach nicht als Erklärung; entscheidend ist vielmehr, dass der Elektronenstrahl molekularen Sauerstoff in reaktive Spezies aufspaltet. Diese Spezies greifen das Material chemisch an und verändern damit, welche Atome wie leicht entfernt werden können – und damit, welches Defektmuster energetisch bevorzugt entsteht. Umair Javed, Erstautor der Studie und Doktorand in der Kotakoski-Gruppe, bringt es auf den Punkt: „Wir zeigen zum ersten Mal, dass die Form der Poren nicht allein auf die Elektronen zurückzuführen ist, sondern von der Atmosphäre um die Probe herum beeinflusst wird.“
Damit verschiebt sich die Perspektive vom reinen „Bohren“ durch energiereiche Elektronen hin zu einem Wechselspiel aus Physik und Reaktion. Die Interpretation ist vergleichsweise klar: Das Herausschlagen durch den Strahl begünstigt kreisförmige Poren, während das durch Sauerstoff vermittelte chemische Ätzen dreieckige Poren begünstigt. Für die praktische Umsetzung heißt das: Das Poren-Engineering lässt sich nicht nur über Beschleunigungsspannung, Strahlstrom und Bestrahlungsdauer steuern, sondern auch über die Zusammensetzung der Atmosphäre während des Prozesses. Genau diese Kombinationslogik ist für industrielle Skalierung zwar ein zusätzlicher Entwicklungsfaktor, aber gleichzeitig eine Chance, weil sie den Parameterraum reduziert, den man sonst über viele Trial-and-Error-Runden abdecken müsste.
Für potenzielle Anwendungen ist vor allem relevant, dass hBN als isolierendes, zweidimensionales Material aus einer einzigen Atomschicht eine stabile Barriere bildet und in der Membran-Logik bereits gedacht wurde, etwa zum Filtern oder zum Analysieren von DNA, während eine Nanopore passiert wird. In diesem Maßstab beeinflusst die exakte Form – inklusive der Atome an den Rändern – wie Moleküle oder Ionen mit der Oberfläche interagieren. Zusätzliche Quanteneigenschaften kommen hinzu, weil die Poren so klein sind, dass quantenmechanische Effekte stärker ins Spiel treten können; dadurch werden neben Sensorik auch Katalyse- und Quantentechnologien plausibel. Die Arbeit adressiert damit gleich mehrere Anwendungskategorien mit einer einzigen Stellschraube: Porengeometrie, atomgenau und reproduzierbar im Prozess gesteuert.
Aus Markt- und Forschungs-Sicht ist die Veröffentlichung über Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-026-76612-2) mehr als eine Grundlagenstudie. Sie liefert ein experimentelles Paradigma, wie sich Defektstrukturen in 2D-Materialien gezielt programmieren lassen – und zwar nicht ausschließlich über die Elektronenenergie, sondern über die Reaktionspfade, die sich im Vakuum-Hintergrund bilden. Die Aussage von Jani Kotakoski, leitender Autor, unterstreicht den Transferanspruch: „Das ist extrem spannend“, sagt er. „Wir erwarten, dass wir auf ähnliche Weise Wege finden werden, die Porenformen in anderen Materialien zu steuern, und vielleicht auch unterschiedliche Formen in hexagonalem Bornitrid erzeugen können.“ Für Unternehmen und Entwickler bedeutet das: Wenn sich das Prinzip auf weitere 2D-Materialien übertragen lässt, wächst die Wahrscheinlichkeit, dass Nanoporen künftig nicht nur als „zufällig entstandene Defekte“ betrachtet werden, sondern als gezielt designtes Bauteil in funktionalen Systemen.
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