Der piezoelektrische Effekt ist altbekannt: In bestimmten Festkörpern entsteht elektrische Spannung als Folge einer mechanischen Deformation. Durch Zusammenpressen oder Auseinanderziehen dieser Materialien kann man also elektrische Energie erzeugen. Theoretisch sollte das selbst bei ganz dünnen Schichten einzelner Atome möglich sein. Forschern der Columbia University und des Georgia Institute of Technology gelang es nun, diesen Effekt bei atomaren Schichten aus Molybdändisulfid (MoS 2 ) auch tatsächlich nachzuweisen. Solche extrem flachen Materialien könnten zukünftig als Minikraftwerke dienen.

MoS 2 weist eigentlich keine piezoelektrischen Eigenschaften auf. Allerdings besteht die grau-schwarze Substanz aus vielen einzelnen, quasi zweidimensionalen kristallinen Schichten. Forscher vermuteten daher schon lange, dass der Effekt innerhalb solcher Schichten auftreten könnte, denn bei Kristallen ist der piezoelektrische Effekt weit verbreitet. Die Kristallatome formen ein wohlstrukturiertes Netzwerk – ein Kristallgitter. Lokale Ladungsunterschiede heben sich in dieser Struktur nach außen hin auf. Verändert man jedoch die Position der Atome untereinander, etwa durch Stauchen oder Strecken, dann entsteht eine elektrische Spannung. Umgekehrt führt das Anlegen einer elektrischen Spannung zu einer Verformung des Materials.

Um zu zeigen, dass auch die kristallinen MoS 2 -Schichten piezoelektrische Eigenschaften haben, fixierten die Wissenschaftler um Zhong Lin diese auf einem flexiblen Kunststoffstreifen – entweder einzeln oder mehrere übereinander. Sie konnten die Atome im Gitter nun gegeneinander verschieben, indem sie den Kunststoff verbogen. Mit Hilfe zweier Minielektroden maßen sie die elektrische Spannung am Gitter. Und tatsächlich: Spannungen treten auf – allerdings nur, wenn die Anzahl der Schichten ungerade ist. Bei einzelnen Schichten ist die erzeugte elektrische Spannung gar am größten. Bei einer geraden Schichtanzahl tritt der gleiche Effekt wie bei größeren Mengen von MoS 2 auf: Spannungsdifferenzen löschen sich im Mittel wieder gegenseitig aus.