Diffusion in Gläsern untersucht mittels Röntgenkorrelations-spektroskopie

Diffusion in Gläsern untersucht mittels Röntgenkorrelations-spektroskopie

FWF ProjektnummerP28232-N36
Projektleiterao. Univ. Prof. Dr. Bogdan Sepiol
Laufzeit1.1.2016–31.12.2018

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.

Aktuelle Tätigkeit

Aktuell liegt der Schwerpunkt auf der Bestimmung von Strukturfaktoren aus Total scattering-Experimenten für verschiedene Alkaliboratgläser. Diese Strukturfaktoren sind sowohl zur Auswertung also auch für die Interpretation der Daten aus XPCS-Experimenten notwendig. Die Funktionen werden für den Vergleich von Daten aus XPCS-Experimenten mit Modellen gebraucht und liefern über die Paarverteilungsfunktion (PVF) zusätzlich Informationen über die Anordnung der Atome in der Probe. Die Paarverteilungsfunktion wird im Grunde über eine Fouriertransformation des Strukturfaktors gewonnen, welche mit den Programmen PDFgetX2 und PDFgetX3 durchgeführt wird. Eine Strahlzeit (I-20160164 EC) auf der Beamline P02.1@PETRA III wurde genutzt, um die notwendigen Daten zu erhalten für die Bestimmung der Strukturfaktoren aller mittels aXPCS untersuchten Alkaliboratgläser sowie von CoCrFeMnNi Legierung (high-entropy alloy). Bei vorangehenden Messungen auf einem Pulverdiffraktometer im Labor zeigte sich, dass das Signal-Rausch-Verhältnis nicht ausreichend gut war. Wegen der Hygroskopie von Alkaliboratgläsern wird, aufgrund des kleineren Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen, die Messung an festen Proben derjenigen an Proben in Pulverform der Vorzug gegeben. 

XPCS-Daten aus vorherigen Strahlzeiten sind für Natrium-, Kalium- und Rubidiumboratglas für verschiedene Alkalikonzentrationen vorhanden. Die Alkaliboratgläser mit Lithium bzw. Cäsium als Alkalibestandteil sind für zukünftige Strahlzeiten vorgesehen. Weitere Tätigkeiten stellen Computersimulationen der Strukturfaktoren dar. Dazu wird ein Potential der Born-Mayer-Huggins-Form für Metropolis-Monte-Carlo-Simulationen von Alkaliboratgläsern verwendet. Ursprünglich wurden die Parameter dieses Potentials angepasst, um die Übereinstimmung der simulierten mit den experimentellen Vibrationsspektren zu gewährleisten. Die Strukturfaktoren werden jedoch nicht richtig wiedergegeben. Deshalb wird versucht, die Parameter so anzupassen, dass die Strukturfaktoren der Simulation mit den experimentellen übereinstimmen. Ein solches angepasstes Potential erlaubt es, eine sehr wahrscheinliche Anordnung der Atome in Alkaliboratgläsern zu finden und ermöglicht außerdem die Berechnung von Größen wie Winkelverteilungen.

Ergebnisse

Die erste Publikation von Teilergebnissen ist Anfang 2017 geplant.