An der TU Dresden gibt es neue Kandidaten für die Materialforschung: Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der TU Dresden hat ein Rechenverfahren entwickelt, das vorhersagen kann, aus welchen Kristallen sich hauchdünne atomare Schichten ablösen lassen. Mehr als 24.000 bekannte Kristallstrukturen wurden dafür untersucht. Am Ende blieben 2.531 besonders aussichtsreiche Kandidaten übrig.

Die Studie erschien am 27. Oktober 2026 in Nature Communications. Sie trägt den Titel „High-Throughput Prediction of Exfoliable Non-van der Waals Materials from a Universal Potential“, der DOI lautet 10.1038/s41467-026-76806-8. Als Autoren werden Tom Barnowsky, C. Timm und Rico Friedrich genannt.

Wenn Kristalle hauchdünn werden

Zweidimensionale Materialien bestehen aus einer einzigen oder wenigen Atomlagen. Ihre Elektronen bewegen sich überwiegend innerhalb der Materialfläche. Dadurch können sie elektronische, magnetische oder chemische Eigenschaften entwickeln, die derselbe Stoff als dreidimensionaler Kristall nicht zeigt.

Das bekannteste Beispiel ist Graphen: eine einzelne Lage Kohlenstoff, die 2004 erstmals hergestellt wurde. Die meisten bekannten 2D-Materialien stammen aus sogenannten Van-der-Waals-Kristallen. Deren Schichten liegen übereinander und werden nur durch schwache Kräfte zusammengehalten – sie lassen sich vergleichsweise leicht ablösen.

Seit einigen Jahren gelingt das aber auch bei Kristallen ohne natürliche Schichtstruktur, etwa bei Hämatit. In solchen Materialien bilden die Atome normalerweise ein dreidimensionales Netzwerk mit stärkeren Bindungen. Welche Kristalle sich trotzdem in dünne Lagen zerlegen lassen, war bisher nur schwer vorherzusagen. Oft half vor allem Erfahrung, manchmal wohl auch ein gutes Gespür – wissenschaftlich sauber planbar war die Auswahl nicht.

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Ein Werkzeug für die große Suche

Im Zentrum des neuen Verfahrens steht das „eXfoliation and Cleavage Potential“, kurz XCP. Es bewertet anhand der beteiligten chemischen Elemente und ihrer Abstände, wie stark die Atome miteinander verbunden sind. Zwei Algorithmen suchen nach leicht abtrennbaren Kristallebenen oder entfernen schrittweise die jeweils schwächsten Bindungen.

So erkennt das Verfahren nicht nur glatte, regelmäßige Trennflächen, sondern auch atomar unebene Ebenen. Es berechnet, an welchen Stellen sich ein Kristall am leichtesten spalten lässt. Dafür braucht es deutlich weniger Rechenaufwand als elektronische Strukturrechnungen für jede mögliche Oberfläche. Große Materialdatenbanken lassen sich dadurch in überschaubarer Zeit durchsuchen – ein wichtiger Punkt, wenn nicht ein Dutzend, sondern mehr als 24.000 Strukturen auf dem Tisch liegen.

Bei bereits experimentell hergestellten zweidimensionalen Materialien sagte das Modell die bekannten bevorzugten Trennebenen zuverlässig voraus. Anschließend wurden für die 2.531 ausgewählten Kandidaten aufwendigere Berechnungen durchgeführt. Ihre chemische Zusammensetzung bleibt beim Ablösen erhalten, und die berechneten Bindungsverhältnisse begünstigen die Bildung zweidimensionaler Strukturen.

Für den Großteil der Kandidaten ergaben sich vergleichsweise geringe Ablösungsenergien. Viele erwiesen sich außerdem als dynamisch und thermodynamisch stabil. Fast keiner von ihnen ist bisher in Datenbanken für 2D-Materialien verzeichnet; die vorhergesagten Materialien unterscheiden sich deutlich von den bisherigen Einträgen.

Metall statt Halbleiter?

Beim Übergang von drei zu zwei Dimensionen kann sich das Verhalten eines Materials stark verändern. Eine Verbindung, die als dreidimensionaler Kristall halbleitend ist, könnte in einer dünnen Schicht metallisch werden. Andere Kandidaten könnten eine direkte Bandlücke besitzen – eine Eigenschaft, die für optoelektronische Bauelemente, Leuchtdioden oder Solarzellen relevant ist.

Auch magnetische Materialien sind unter den Kandidaten. Sie könnten einmal für Anwendungen in der Spintronik interessant sein, bei der nicht nur die Ladung, sondern auch die magnetische Ausrichtung von Elektronen genutzt wird. Das klingt nach Zukunftsmusik, ist aber zunächst vor allem eine lange Liste für Labore, Messgeräte und geduldige Menschen.

Hergestellt wurde bislang keiner der 2.531 Kandidaten. Das Verfahren garantiert auch nicht, dass sich jeder vorgeschlagene Kristall im Labor tatsächlich produzieren lässt oder unter welchen Bedingungen die dünnen Schichten stabil bleiben. Genau das müssen Experimente klären. Das Rechenmodell soll keine fertigen Produkte liefern, sondern Materialien herausfiltern, bei denen sich der Aufwand besonders lohnen könnte.

Wer selbst suchen möchte, kann das Verfahren als kostenloses und frei zugängliches Web-Tool nutzen. Damit rückt die Suche nach neuen 2D-Materialien ein Stück weg vom bloßen Raten – und hin zu einer systematischen Reise durch eine sehr große, bislang nur teilweise erkundete Kristalllandschaft.