Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Material löst sich dynamisch statt kontinuierlich

16.01.2018

Wissenschaftler aus Bremen und Dresden finden neuen Prozess, wie sich kristallines Material in Flüssigkeiten freisetzt

Würfelzucker löst sich in Tee oder Kaffee, Karbonat in Meeren und Ozeanen. Bislang haben Forschende vermutet, dass sich solche Kristalle kontinuierlich in Flüssigkeit auflösen. PD Dr. Cornelius Fischer und Prof. Dr. Andreas Lüttge vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen haben nun aber einen besonderen Prozess der Materialauflösung entdeckt, der sich auch auf die quantitative Vorhersagbarkeit natürlicher und technischer Prozesse auswirken wird.


Die Abbildung stellt keine topographische Karte dar, sondern zeigt, wie viel Material sich auflöst. Deutlich zu erkennen sind die so genannten Pulse, die Kraterwellen ähneln.

Foto: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen

Statt in einem kontinuierlichen Prozess lösen sich Kristalle in Pulsen. Ihre Ergebnisse haben sie am 15. Januar in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Wie kristallines Material mit Flüssigkeiten reagiert, ist bestimmend für ganz alltägliche Prozesse in der Natur und in technischen Anwendungen – wie Metalle korrodieren oder Karbonatgestein zersetzt wird sind Beispiele, ebenso auch die Aufnahme von Arzneimittelwirkstoffen im Körper.

Wie lange dauert es zum Beispiel, bis ein Medikament aufgenommen wird und sich der Wirkstoff freisetzt? Bislang, so die Autoren, sei man davon ausgegangen, dass die Reaktionsprodukte beständig von der Kristalloberfläche freigesetzt werden, das entspricht einer kontinuierlichen Auflösung.

„Neue experimentelle und analytische Ergebnisse zeigen aber etwas grundlegend Anderes: Material wird in einer Folge von Reaktionspulsen freigesetzt“, erklärt Dr. Cornelius Fischer, Erstautor der Studie, die am MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen entstanden ist.

Das bedeutet, dass die zeitliche und räumliche Verteilung der Materialfreisetzung grundsätzlich anders funktioniert als bisher angenommen. Interessant wird es, wenn sich solche Pulse der Materialfreisetzung überlagern, denn so könnten völlig neue Porenmuster von Festkörpern entstehen.

Ein Beispiel für eine klassische Anwendung, sagt Fischer, sei die Durchlässigkeit sonst dichter Festkörper, etwa wie Wasser durch Gestein sickert und so neue Wege für die Flüssigkeit schafft und das Gestein insgesamt poröser wird. Das Porenmuster zeigt dann, wie durchlässig das Gestein ist.

Relevant für Sicherheits- und Risikobewertung

Die Forschung der Mineralogen ist zum Beispiel relevant für Risiko- und Sicherheitsabschätzungen, etwa wenn es um die Einlagerung von Gasen oder das Entsorgen von nuklearem Material geht – „immer dann“, verdeutlicht Fischer, „wenn Prognosen für Anwendungen und Prozesse der Flüssigkeit-Festkörper-Reaktionen verbessert werden sollen“.

Ihre jetzt veröffentlichten Ergebnisse stellen die vorherrschende konzeptionelle Ansicht in Frage, dass die Kristallauflösung einfach der umgekehrte Prozess des kontinuierlichen Kristallwachstums ist.

„Solche Pulse wurden für Kristallwachstumsprozesse bislang nicht beobachtet“, sagt Cornelius Fischer. Für ihre Studie haben Andreas Lüttge und Fischer, der inzwischen als Abteilungsleiter an das Institut für Ressourcenökologie am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf gewechselt ist, die Auflösung von Kalzit und Zinkoxid untersucht. Schnell reagierende Kalzitoberflächen bieten oft ein sehr heterogenes Bild.

„Zinkoxid zum Beispiel eignet sich jedoch gut für eine Beobachtung der Oberflächenveränderungen quasi in Zeitlupe“, erklärt Andreas Lüttge. „Als wir zum ersten Mal solche Pulse mit Zinkoxid-Oberflächen entdeckten, war es schwer zu glauben, dass dieses Ergebnis verallgemeinerungsfähig ist. Zu sehr bestimmen die komplexen Reaktionsmuster wie auf Kalzitoberflächen unsere Interpretation. Jetzt sind wir jedoch mit den neuen Ergebnissen in der Lage, solche Muster der Materialfreisetzung besser zu verstehen.“

Modelle müssen weiter verfeinert werden

Ziel der Untersuchungen von Fischer und Lüttge sind Modelle der quantitativen Prognose. Wie schnell und mit welchen räumlichen Mustern ändern sich Festkörperoberflächen und setzen Material frei? Wie entwickelt sich die Durchlässigkeit von festem Material?

Fischer: „In Zukunft werden wir unsere neuen Erkenntnisse in reaktiven Transportmodellen anwenden, um für grundsätzliche und angewandte Fragestellungen eine bessere Vorhersagbarkeit der Materialfreisetzung zu ermöglichen.“

Originalveröffentlichung:
Cornelius Fischer and Andreas Lüttge: Pulsating dissolution of crystalline matter. Proceedings of the National Academy of Sciences 2018,
DOI:10.1073/pnas.1711254115

Kontakt:
Cornelius Fischer
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Institut für Ressourcenökologie
Leiter der Abteilung Reaktiver Transport an der HZDR-Forschungsstelle Leipzig
Telefon: 0351 260-4660
E-Mail: c.fischer@hzdr.de

Andreas Lüttge
MARUM-Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
E-Mail: aluttge@marum.de

Mehr Informationen:
Ulrike Prange
MARUM Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Telefon: 0421 218 65540
E-Mail: medien@marum.de

MARUM entschlüsselt mit modernsten Methoden und eingebunden in internationale Projekte die Rolle des Ozeans im System Erde – insbesondere im Hinblick auf den globalen Wandel. Es erfasst die Wechselwirkungen zwischen geologischen und biologischen Prozessen im Meer und liefert Beiträge für eine nachhaltige Nutzung der Ozeane. Das MARUM umfasst das DFG-Forschungszentrum und den Exzellenzcluster „Der Ozean im System Erde“.

Weitere Informationen:

http://www.marum.de

Ulrike Prange | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht AWI-Forscher messen Rekordkonzentration von Mikroplastik im arktischen Meereis
25.04.2018 | Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

nachricht Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas
20.04.2018 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Why we need erasable MRI scans

New technology could allow an MRI contrast agent to 'blink off,' helping doctors diagnose disease

Magnetic resonance imaging, or MRI, is a widely used medical tool for taking pictures of the insides of our body. One way to make MRI scans easier to read is...

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Konferenz »Encoding Cultures. Leben mit intelligenten Maschinen« | 27. & 28.04.2018 ZKM | Karlsruhe

26.04.2018 | Veranstaltungen

Konferenz zur Marktentwicklung von Gigabitnetzen in Deutschland

26.04.2018 | Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Weltrekord an der Uni Paderborn: Optische Datenübertragung mit 128 Gigabits pro Sekunde

26.04.2018 | Informationstechnologie

Multifunktionaler Mikroschwimmer transportiert Fracht und zerstört sich selbst

26.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Berner Mars-Kamera liefert erste farbige Bilder vom Mars

26.04.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics