Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Geburt des Partikels

07.09.2016

Ein an der Universität Konstanz entwickeltes Experiment kann den Mechanismus der Partikelbildung ausgehend von gelösten molekularen Bausteinen aufzeigen

Eine der Hauptaufgaben der Chemie ist, die Bildung von Materialien zu kontrollieren beziehungsweise neue Materialien maßzuschneidern. Um die dabei angewandten Synthesen zu optimieren, ist es von grundlegender Bedeutung zu verstehen, wie der Phasenübergang von der Lösung zum Partikel funktioniert.


Experiment, bei dem durch langsame Zugabe verschiedener Lösungen die Reaktion gestartet, kontrolliert und untersucht werden kann.

Im Arbeitsbereich des Chemikers Dr. Denis Gebauer ist es nun im Rahmen einer internationalen Kooperation gelungen, am Beispiel des Eisenoxids, das bedeutende Anwendungen im Bereich der Medizin, Katalyse und Sensorik hat, diese „Geburt“ der Partikel im Detail beobachtbar zu machen.

Die Doktorandin Johanna Scheck hat ein Experiment entwickelt, mit dem die hohe Reaktivität der Eisen(III)-Ionen in den Griff bekommen werden kann, wodurch die einzelnen Stadien bei der Entstehung von Eisenoxidpartikeln analysierbar werden. Die Ergebnisse wurden im Journal of Physical Chemistry Letters vom 18. August 2016 veröffentlicht und von den Editoren in den sogenannten "Spotlights" derselben Ausgabe hervorgehoben.

„Das ist fundamentale physikalische Chemie“, beurteilt Denis Gebauer, Research Fellow am Zukunftskolleg der Universität Konstanz, die Arbeit der Doktorandin Johanna Scheck. Zumal die experimentellen Bemühungen zur Verlangsamung der hohen Reaktivität von Eisen(III) sowie der Umfang der eingesetzten Analytik nicht unerheblich waren. Selbst ein Besuch am ALBA-Synchrotron in der unmittelbaren Nähe von Barcelona gehörte zu den Maßnahmen.

In einem speziellen Beschleunigerring wurde die Größenverteilung und Wechselwirkung von Partikeln in den einzelnen "Geburtsstadien" gemessen. Die entscheidende Modifikation im Vergleich zu früheren Studien besteht in dem stark verlangsamten Ablauf der Mischung, dessen Umsetzung einige Tricks und Kniffe verlangte. Nur einige Hundert Nano-Liter Eisenlösung fließen pro Minute in die Reaktionslösung.

Ein Nanoliter entspricht einem Tausendstel Mikroliter. Zum Vergleich: Ein Regentropfen hat einige Hundert Mikroliter. Damit arbeitet das Konstanzer Experiment mit einer tausendmal kleineren Dosierung pro Minute als vorherige Experimente.

In dem Experiment von Johanna Scheck wurde außerdem noch etwas anders gemacht als in seinen zahlreichen Vorgängern: Die Reihenfolge, in der die Komponenten der Reaktion zugegeben wurden, wurde im Konstanzer Experiment umgedreht. Die Idee dahinter: Anstatt die Reaktion in einer Eisenlösung ablaufen zu lassen, wird die Eisenlösung langsam dem Reaktionsmedium zugefügt und so stark verdünnt. Dadurch lässt sich die Reaktion besser kontrollieren, weil die Stoffmenge an Eisen im Reaktionsgemisch sehr gering ist und so die Reaktion limitiert.

So konnte erreicht werden, dass die Reaktion des Eisen(III)-oxids nicht sofort das System bis zum Stadium eines Partikels durchläuft, sondern dass die einzelnen Stadien der „Geburt“ der Partikel separiert und mit einer Vielzahl von Methoden analysiert werden können.

Dabei konnte die Reihenfolge der grundlegenden chemischen Mechanismen mit dem physikalischen Mechanismus der Phasenseparation in direkte Verbindung gebracht werden. Die Reaktion startet zunächst in einem chemischen Gleichgewicht, das zur Bildung von gelösten, kleinsten Ionen-Zusammenschlüssen – sogenannten Pränukleationsclustern – führt.

Erst eine nachfolgende Reaktion, bei der diese Pränukleationscluster verdichtet werden, ist grundlegend für die eigentliche Phasenseparation. Bei (zu) schnellen Mischvorgängen laufen beide Mechanismen quasi parallel und damit ununterscheidbar ab.

So konnte durch das Experiment eine Diskussion, die seit den 1970er Jahren geführt wird, zumindest für das Eisen(III)-oxid entschieden werden. Es hat sich gezeigt, dass die Reaktion nicht spontan bis hin zum Partikel abläuft, wie weitläufig angenommen wurde. Der Nukleationsmechanismus, der beim ersten Teilprozess des Phasenübergangs wirkt, basiert dabei auf den oben erwähnten Pränukleationsclustern.

Ist der grundlegende Mechanismus dieser „Geburt“ von Partikeln verstanden, stehen ganz neue Möglichkeiten zur Verfügung. „Wir versuchen nun, die Einblicke, die wir in dieser grundlegenden Arbeit gewonnen haben, für das gezielte Design von Materialeigenschaften anzuwenden“, erklärt Denis Gebauer.

Originalpublikation:
Johanna Scheck, Baohu Wu, Markus Drechsler, Rose Rosenberg, Alexander E. S. Van Driessche, Tomasz M. Stawski, and Denis Gebauer. J. Phys. Chem. Lett., 2016, 7 (16), pp 3123–3130.
DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b01237
Link zur Originalveröffentlichung: http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.6b01237
Link zum Feature in Spotlights: http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.6b01782

Faktenübersicht:
Johanna Schecks Stelle wird im Rahmen des internationale Kooperationsprojektes „Materials World Network“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der National Science Foundation (NSF) gefördert. Das Projekt befasst sich mit den Frühstadien der Partikelbildung. Johanna Scheck ist seit 2013 Doktorandin in der Forschergruppe von Denis Gebauer. Dieser ist ebenfalls seit 2013 Research Fellow am Zukunftskolleg der Universität Konstanz. Die Studie ist eine Kollaboration der Universität Konstanz, des Forschungszentrums Jülich, der Universität Bayreuth, der University of Leeds, des Centre national de la recherche scientifique Grenoble und des Helmholtz-Zentrums Potsdam.

Dr. Denis Gebauer
https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2016/Gebauer-Uni-KN-2016.jpg

Johanna Scheck
https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2016/Scheck-Uni-KN-2016.jpg

Kontakt:
Universität Konstanz
Kommunikation und Marketing
Telefon: + 49 7531 88-3603
E-Mail: kum@uni-konstanz.de

Julia Wandt | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: Mikroliter Partikel Phasenseparation

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

nachricht Schimpansen belohnen Gefälligkeiten
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften (MPIMIS)

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: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften