Nanomaterialien mit durchstimmbarer elektronischer Struktur verknüpfen die hohe spezifische Oberfläche metallischer Nanostrukturen mit der Möglichkeit Oberflächeneigenschaften durch Kontrolle der Raumladungszonen zu verändern. Auf diese Art können Werkstoffe mit durchstimmbaren makroskopischen Eigenschaften hergestellt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde eine erfolgreiche Synthese metallischer und kohlenstoffbasierter durchstimmbarer Materialien durchgeführt sowie ihr neuartiges funktionales Verhalten in zwei Anwendungsgebieten demonstriert, nämlich Aktuatortechnik und Photonik. In dieser Arbeit werden ebenfalls die Konzepte für die zugrunde liegenden Prozesse vorgeschlagen. Speziell folgende Gesichtspunkte wurden untersucht: Das wachsende Interesse in Dehnung, die durch Kapillarkräfte in porösen Werkstoffen erzeugt wird, motiviert unsere Suche nach den zugrunde liegenden Mechanismen. Erstmalig wurde ein Experiment entworfen, um die wichtigen Unterscheidungsmerkmale zwischen den verschiedenen Kapillarkräften und ihrem Einfluß auf die Dehnung poröser Materialien zu illustrieren. Die Vorgehensweise bestand in einem Vergleich aus (1) der Dilatometrie, welche die Änderung der makroskopischen Probendimension detektiert, und (2) der Weitwinkelröntgenstreuung, welche die Änderung des Gitterparameters des Goldkristallgitters detektiert. Die beiden resultierenden Dehnungsmaße des nanoporösen Goldes zeigen eine signifikante Abweichung. Diese Beobachtung bestätigt die grundlegende Unterscheidung zwischen Dehnung als Antwort auf das Wirken von elastischer Flächenspannung fester Oberflächen und Dehnung als Antwort auf Änderungen des Druckes in einer Flüssigkeit. Dies kann eine Korrektur aller bisher berichteten Arbeiten, die den Einfluß der elastischen Oberflächenspannung nicht in Betracht gezogen haben, zur Folge haben. Durch den Einsatz nanoporöser Werkstoffe kann man eine große Dehnung und eine hohe mechanische Energiedichte in einem steifen Aktuatormaterial über das Anlegen einer Spannung in einem Elektrolyten erreichen. Ein ähnliches Konzept kann bei einem Carbonaerogel, welches ein leichtes und kostengünstiges poröses Material mit extrem großer Oberfläche ist, angewendet werden. In dieser Arbeit wird das Potential dieses Materials mit seiner außergewöhnlich hohen reversiblen Volumendehnung von 6.6% für die Aktuatortechnik demonstriert. Die massenspezifische Dehnungsenergiedichte übertrifft sogar die von Piezokeramiken und nanoporösen Metallaktuatoren. Zusätzlich wurde ein fundamentaler elektrochemischer Parameter, das „Potential des Ladungsnullpunkts“ (potential of zero charge = pzc), von Carbonaerogel gemessen. Die Ergebnisse zeigen, daß das pzc nicht notwendigerweise mit dem Potential der maximalen elastischen Oberflächenspannung übereinstimmt. Das bestätigt die zuvor erwähnte Unterscheidung zwischen den Kapillarkräften. Ein weiteres Beispiel für das Konzept durchstimmbarer Nanomaterialien ist die elektrische Modulation photonischer Metamaterialien. Angeordnete Felder lithographisch hergestellter Resonatoren wurden benutzt, um Metamaterialien herzustellen, welche ungewöhnliche optische Eigenschaften aufzeigen – im Extremfall sogar einen negativen Brechungsindex. Das neuartige Konzept, welches hier vorgestellt wird, besteht darin, daß die Raumladungszone an der Oberfläche jedes Resonators vom angelegten Potential in einer elektrochemischen Umgebung eingestellt wird. Auf diese Art wird in dieser Arbeit eine große und reversibel einstellbare Resonanz erzeugt. Idealerweise kann man dann die Resonanz durch ein elektrisches Signal ein- und ausschalten, was attraktiv für Anwendungen als funktionale photonische Metamaterialien wäre. Auch wenn der zugrundeliegende Mechanismus noch nicht vollständig verstanden ist, ist es doch naheliegend eine Kopplung zwischen der Raumladungszone und dem elektrischen Widerstand zu vermuten. Dazu wurden Experimente mit Pb und Cu Unterpotentialabscheidung durchgeführt, deren Ergebnisse auf einen ausschlaggebenden Einfluß des Widerstandes auf Resonanzfrequenz und Dämpfung deuten.
