FWF Projekte

P28232-N36

Zusammenfassung

Glas wird seit mehreren Tausend Jahren in unterschiedlicher Form verarbeitet. Es hat einen sehr großen Anwendungsbereich, von Schmuck über Alltagsgegenstände und dem Einsatz unter extremen Belastungen bis hin zur Verwendung für die Energiespeicherung. In letzter Zeit wurden beachtliche Fortschritte im Bereich von Festoxidbrennstoffzellen, Batterien und Superkondensatoren, von elektrochemischen Sensoren und von funktionalen Polymeren erzielt. Einige grundlegende Konzepte, wie der Transport von Ionen in ungeordneten Materialien, sind jedoch immer noch kaum verstanden. Die Eigenschaften eines Glases werden von den Atomen bestimmt, aus denen es zusammengesetzt ist. Diese Atome sind in ständiger Bewegung in Form von Diffusion. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, die Diffusion im Glas auf atomarer Ebene zu untersuchen. Die so gewonnenen Erkenntnisse können zur Verbesserung von Eigenschaften wie Stabilität und Leitfähigkeit, aber auch zur Weiterentwicklung von Herstellungsprozessen dienen. Wichtig ist es dabei, Glas in dem Zustand zu untersuchen, den es bei seiner Anwendung hat. Meist wird Glas in fester Form verwendet. Es muss daher bei Temperaturen weit unterhalb seines Schmelzpunktes analysiert werden. 

Mit den üblichen experimentellen Methoden zur Untersuchung atomarer Sprünge ist dies nicht möglich. Dies liegt daran, dass sich die Atome im Glas bei niedrigen Temperaturen sehr langsam bewegen, sodass dies von herkömmlichen Techniken nicht aufgelöst werden kann. Hier kommt Röntgen-Photonen-Korrelationsspektroskopie (XPCS) ins Spiel. Diese Methode verfolgt einen neuen Ansatz, bei dem zeitliche Änderungen in den Streubildern miteinander verglichen (korreliert) werden, wodurch Rückschluss auf die Bewegung der Streuer (Atome) möglich ist. Um dies zu bewerkstelligen wird Röntgenstrahlung mit den Eigenschaften von Laserlicht benötigt. Die einzigen Strahlungsquellen, die Röntgenlicht mit ausreichender Qualität liefern, sind Synchrotrons. Erst im letzten Jahrzehnt war die Brillanz, das Maß für die Qualität der Strahlung, hoch genug, um diese neue Methode auf atomare Ebene weiterzuentwickeln. Es war im Zuge eines vorangegangenen Projektes möglich, zu zeigen, dass damit atomare Diffusion in kristallinen Materialien untersucht werden kann. In diesem Projekt wollen wir mit dieser Technik nun amorphe Materialien untersuchen. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher theoretischer Ansätze und Modelle um Diffusion in Gläsern zu erklären. Allerdings gibt kein einfaches, generell akzeptiertes Transportmodell in der Literatur.  Röntgen-Photonen-Korrelationsspektroskopie (XPCS) macht es möglich, Modelle für atomaren Transport direkt mit experimentellen Befunden zu vergleichen. Dadurch wird es möglich, quantitative Aussagen über die Qualität verschiedener Modelle zu treffen und damit ein besseres Verständnis der atomaren Bewegung in Gläsern zu gewinnen.

Weiterführende Informationen finden Sie auf der zugehörigen Projektseite.

P22402-N20

Zusammenfassung

Der Verständnis atomarer Bewegung in Festkörpern ist für die Synthese und Stabilität von technologisch fundamentalen Materialien von fundamentaler Bedeutung und ist bei Nanomaterialen noch essentieller. Die Zeitskala atomarer Bewegung ist typischerweise für Techniken, die auf einer guten Energieauflösung basieren (wie z.B. inelastische Neutronenstreuung) unangenehm lang und erzwingt Messungen bei übermäßig hohen Temperaturen. Zudem sind nur einige wenige ausgewählte Isotope mit dieser Methode überhaupt zu messen. Es existiert aber natürlich viele Informationen über atomare Diffusion, die mit Hilfe von Tracern gemessen wurden. Jedoch ist ein Ableiten von Informationen über die wirkliche mikroskopische Dynamik aus diesen Tracer Messungen eine sher indirekte Prozedur, die oftmals wiedersprüchliche Ergebnisse liefert und auf vielen Annahmen beruht. Deswegen ist eine nichtresonante Methode, die nicht auf bestimmte Isotope beschränkt ist und auch langsame Diffusion messen kann sehr wünschenswert.

In unseren vorangegangenen Projekten konnten wir zeigen, dass X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS) diese Anforderungen erfüllt. Diese Methode beobachtet die temporäre Variationen der an der Probe koherent gestreuten Intensität als eine Funktion des Wellenvektors. D.h. sie mißt direkt in der Fourierdomäne. Sie wurde seit dem Aufkommen von Synchrotronquellen mit hoher Intensität in der Mitte der 90er Jahre auf die Messung von langsamer Dynamik auf der Nanometerebene angewandt, aber wurde bislang nie verwendet um die Dynamik einzelner Atome zu untersuchen. Die Grenzen der Möglichkeit von XPCS haben wir im Rahmen der Bestimmung der langsamen atomaren Dynamik in Gold-Kupfer Legierungen ausgelotet. Diese Projekt schließt an diesen Erfolg an und etabliert XPCS als die bevorzugte Methode um atomare Dynamik zu studieren. Genauergesagt haben wir technisch wichtige hochtemperatur Struktur-Materialen wie Ni-Pt Legierungen, metallische Gläser und Oxidgläser untersucht. Diese Messungen geben ein direktes mikroskopisches Bild der Mechanismen, die zu atomarem Transport führen und die für geordnete Legierungen durchaus sehr diffizil sein können. Sie geben auch Informationen über die Temperaturabhängigkeit der Diffusion (z.B. Aktivierungsenergie) bei niedrigen Temperaturen.

In unserem Projekt profitieren wir von der ständig steigenden Brillianz der existierenden Synchrotronquellen (beispielsweise dem anstehenden Upgrade des ESRF) und von kommenden neuen Quellen wie PETRA III und dem Europäischen XFEL in Hamburg.

Weiterführende Informationen finden Sie auf der zugehörigen Projektseite.