Das Thema meiner Masterarbeit ist „In-situ Röntgenstreuung an Fichtenholz unter Variation von Last und Feuchtigkeit“. Um Änderungen des Mikrofibrillenwinkels und des Gitterabstands der kristallinen Zellulose von Fichtenholz unter Last und Feuchtigkeit zu untersuchen habe ich in-situ Röntgenstreuungs-Messungen vorgenommen. Die größere Struktur, der Mikrofibrillenwinkel, kann mit Kleinwinkelstreuung gemessen werden, die kleinere mittels Weitwinkelstreuung. Dazu wurde eine Kammer entwickelt, die sowohl variable Last und Feuchtigkeit in einem Bereich zwischen 0 und 100% an der Probe zulässt, als auch für Röntgenstrahlung transparent ist. Für die Weitwinkelmessungen wurde eine Fotoplatte in einem Abstand von 5,1 cm zur Probe positioniert. Die Kleinwinkelstreuungsintensität konnte durch ein Loch in dieser Platte dringen und wurde von einer weiteren Fotoplatte mit einem Abstand von 65,6 cm detektiert. Dabei stellte sich heraus, dass die Intensitäten unserer Laboranlage nicht ausreichen um eine Abhängigkeit des Mikrofibrillenwinkels von der Dehnung nachzuweisen. Jedoch konnte ich einen Einfluss der Feuchtigkeit klar feststellen: Es zeigte sich eine Zunahme des Gitterabstands mit zunehmender Feuchtigkeit, was durch Absorption von Wasser erklärt werden kann.

Mein Hauptforschungsgebiet ist die Untersuchung von Materialeigenschaften, wie der Dynamik (Diffusion und Phononen) und Kinetik kondensierter Systeme, im speziellen metallische Filme, intermetallische Legierungen, metallische Gläser und schnelle Ionenleiter, mit Hilfe von Streuungs- und Simulationtechniken. Der Fokus liegt dabei auf der Dynamik von atomaren Diffusionsprozessen, also dem Ablauf der atomaren Bewegungen in festen Stoffen. Die Kenntnis dieser Prozesse ist der Schlüssel zum grundlegenden Verständnis vieler essentieller Materialeigenschaften. Wichtige Einflussfaktoren sind beispielsweise, wie oft die Atome ihren Platz wechseln und an welche anderen Stellen im Gitter sie bevorzugt springen. Die effiziente Verzahnung von Computersimulationen mit den experimentellen Methoden der Röntgenstreuung ermöglicht es, diese Prozesse auf einer völlig neuen Ebene zu untersuchen. Insbesondere durch die Erweiterung der Streumethode um neue kohärente Techniken können theoretische Modelle nun auch im Experiment auf atomarer Größenordnung überprüft werden. Die Messungen finden an Großforschungsanlagen wie ESRF in Grenoble und PETRA III in Hamburg statt, deren Synchrotron-Anlagen die hohen technischen Anforderungen an Kohärenz, Intensität und Brillanz für die Strahlung erfüllen, die in solchen Experimenten verwendet wird.

Mein Dissertationsgebiet ist die Untersuchung der Dynamik in Gläsern auf der atomaren Ebene. Dafür verwende ich die noch junge, auf kohärenten Röntgenstrahlen basierende Technik Röntgenphotonenkorrelationsspektroskopie (aXPCS). Die Röntgenstrahlen werden an den Atomen kohärent gestreut und es entstehen Interferenzmuster, genannt Speckles. Das grundlegende Prinzip der Technik besteht darin, das Änderungen in der mikroskopischen Struktur, herbeigeführt durch atomare Bewegung, zu Fluktuationen in den Speckles führen, was genutzt wird um Informationen über die atomare Bewegung zu erhalten. aXPCS Experimente werden an den Elektronensynchrotrons der dritten Generation, PETRA III in Hamburg und ESRF in Grenoble, durchgeführt. Untersucht werden hauptsächlich Alkaliboratgläser, wie z.B.: Rubidiumborat x(Rb2O)(1-x)(B2O3), welche als schnelle Ionenleiter bekannt sind und potentiell in der Energiespeicherung eingesetzt werden können. Die Glasproben stelle ich im Labor selbst her und bestimme diverse Eigenschaften (Dichte, Glasübergangstemperatur, etc.).

Zusätzlich untersuche ich die Struktur der genannten Gläser mittels der „Total Scattering“ genannten Röntgenstreutechnik und Computersimulationen. Das Ziel dieser Untersuchungen ist der Strukturfaktor, welcher einerseits für den Vergleich der aXPCS-Daten mit Modellen verwendet wird, aber auch, um mehr über die mikroskopische Struktur der untersuchten Materialien zu erfahren. Die Experimente werden wiederum an Synchrotrons durchgeführt. Für die Computersimulation werden eigene Monte-Carlo-Simulationen der Gläser durchgeführt, mittels derer die Parameter des Potentials angepasst werden, und fertige Reverse Monte Carlo (RMC) Programmpakete verwendet. 

Diese Arbeit wird finanziert durch den Austrian Science Fund (FWF): P28232-N36

Das Ziel meiner Arbeit ist die Bestimmung der elastischen Eigenschaften von Materialien mit verschiedenen experimentellen Methoden. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf Keramiken und Verbundwerkstoffen, deren Bedeutung für die Industrie stetig wächst. Die elastischen Eigenschaften werden sowohl durch statische als auch durch dynamische Methoden ermittelt.

Zu den statischen Methoden zählen beispielsweise Nano- und Mikroindentierung, bei denen nicht nur Information über elastische, sondern auch plastische Eigenschaften ortsaufgelöst erhalten werden. Auch Biegeversuche zählen zu den statischen Methoden und sind für mich interessant, da durch Filmen solcher Versuche vor allem das Verhalten von Verbundwerkstoffen beobachtet werden kann.

Aus der Gruppe der dynamischen Methoden ist für mich vor allem die Resonante Ultraschallspektroskopie wichtig. Dabei werden die Eigenschwingungen einer Probe mit Ultraschall angeregt, was eine präzise Bestimmung der elastischen Konstanten erlaubt und Informationen über das elastische Verhalten der gesamten Probe liefert. 

Die Kombination verschiedener Methoden erlaubt es mir nicht nur ein umfassendes Bild über das mechanische Verhalten verschiedener Werkstoffe zu erhalten, sondern auch die Zusammenhänge zwischen lokalen und globalen Eigenschaften zu erforschen.