Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Tanz der Ionen

17.08.2007
Wie bewegen sich Ionen in Kristallen, Gläsern und Polymeren? Dieser Frage, die für viele Hochtechnologieanwendungen von zentraler Bedeutung ist, gehen Forscher aus fünf physikalischen und chemischen Instituten der Universität Münster nach. Sie haben sich dazu zum Sonderforschungsbereich (SFB) 458 zusammengeschlossen, "Ionenbewegung in Materialien mit ungeordneten Strukturen - vom Elementarschritt zum makroskopischen Transport", der seit dem Jahr 2000 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird.

SFB-Sprecher Prof. Dr. Klaus Funke konkretisiert die Fragen, die ihn und seine Kollegen bewegen: "Wie laufen die Platzwechselbewegungen der Ionen in ungeordneten kristallinen, glasigen und polymeren Systemen auf atomarer Skala ab? Kann man sie nachvollziehen und verstehen?" Die Bewegungen vieler Ionen sind extrem komplex, zumal sie sich gegenseitig beeinflussen.

Die Wissenschaftler, die eng zusammenarbeiten, erforschen in 18 Teilprojekten experimentell und theoretisch unterschiedliche Aspekte dieses Problems. Sie haben dabei ein "universelles" Verhalten von Ionen in ganz unterschiedlichen Materialien festgestellt, andererseits aber auch materialspezifische Besonderheiten der Ionendynamik erkannt.

Die Bewegung von Ionen hängt von den jeweiligen Materialeigenschaften ab: In Kristallen mit einer perfekt geordneten Struktur zum Beispiel gibt es keine Möglichkeiten für Ionen, ihre Position zu verändern. In Materialien mit ungeordneter Struktur dagegen entsteht eine sehr komplexe Ionenbewegung, ein "Tanz der Ionen", wie Prof. Funke augenzwinkernd veranschaulicht: eine komplizierte, nicht regellose Abfolge von Hüpfbewegungen. "Unser Forschungsfeld wird als Solid State Ionics bezeichnet. Es umfasst sowohl Grundlagen als auch Anwendungen und entwickelt sich zur Zeit äußerst rasch", so Prof. Funke. "Der SFB 458 gilt dabei weltweit als eines der führenden Forschungszentren auf diesem Gebiet."

... mehr zu:
»Atom »Ion »Nanomaterialien »Schicht

Prof. Dr. Monika Schönhoff beschreibt die Forschung in einem SFB-Teilprojekt: "Wir untersuchen, wie Nanomaterialien als Ionenleiter funktionieren." Dazu verwenden die Forscher so genannte Polyelektrolyt-Multischichten. Diese mechanisch sehr stabilen Materialien bestehen aus extrem dünnen Schichten von Polymeren, wobei die Schichten, deren Dicke im Nanometerbereich liegt, abwechselnd positiv und negativ geladen sind und sich daher gegenseitig anziehen. Die Forscher des SFB wollen solche Materialien als Ionenleiter verwenden, indem sie nachträglich Ionen in Form von Salzen einbringen und so das Ladungsgleichgewicht verändern.

Eine leitfähige Polyelektrolyt-Multischicht könnte zum Beispiel Anwendung in einer Lithium-Batterie finden, und zwar als Membran, die einen Ionenfluss zwischen den Elektroden ermöglicht. Da die Membran sehr dünn ist, würde die Aufladezeit der Batterie beschleunigt - "Das ist besonders wünschenswert, beispielsweise, wenn man an einen Laptop-Akku denkt", so Prof. Schönhoff.

Ein anderes Teilprojekt beschäftigt sich ebenfalls mit ionenleitenden Nanomaterialien, und zwar mit solchen, die aus verschiedenen sehr dünnen Schichten bestehen, die jeweils nur 10 bis 30 Atomlagen "dick" sind. "Mit abnehmender Dicke ändert sich das Ionentransportverhalten dieser Materialien", erklärt Prof. Dr. Guido Schmitz. "Die Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten beeinflussen den Ionenfluss im Material bis zu einer bestimmten Tiefe. Je dünner die Schichten sind, desto stärker ist der Einfluss der Grenzflächen auf die Ionenleitfähigkeit des Materials."

Um die lokale Zusammensetzung der Materialproben zu bestimmen, setzen die münsterschen Forscher abbildende Analyseverfahren höchster Auflösung ein, zum Beispiel eine so genannte Atomsonde. "Durch sehr kurze Hochspannung oder per Laserimpuls werden zunächst einzelne Atome aus der Probe gelöst", erklärt Prof. Dr. Guido Schmitz. Nachdem sie dann auf einem speziellen Detektor auftreffen, werden die Koordinaten und Eigenschaften jedes Atoms ausgewertet, so dass ein räumliches Bild der Anordnung der einzelnen Atome entsteht.

Natürlich haben die Wissenschaftler technische Einsatzmöglichkeiten ihrer Forschungsergebnisse im Blick, also umweltfreundliche Systeme zur Energieumwandlung - vor allem Brennstoffzellen und Lithiumionenbatterien - sowie chemische Sensoren und elektrochrome Displays. "Derartige Anwendungen sind auf ein solides Fundament angewiesen", so Prof. Funke. Die Grundlagenforschung im SFB 458 trägt zum Ausbau des Fundaments bei und eröffnet damit Zukunftsperspektiven für die Optimierung von Materialien für die verschiedensten technischen Anwendungen.

Dr. Christina Heimken | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenster.de/Chemie.pc/sfb/

Weitere Berichte zu: Atom Ion Nanomaterialien Schicht

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Ein Holodeck für Fliegen, Fische und Mäuse
21.08.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Wie Pflanzen ihr Gedächtnis vererben
21.08.2017 | Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten

21.08.2017 | Physik Astronomie

Ein Holodeck für Fliegen, Fische und Mäuse

21.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Institut für Lufttransportsysteme der TUHH nimmt neuen Cockpitsimulator in Betrieb

21.08.2017 | Verkehr Logistik