Physiker der Saar-Uni untersuchen Gefrierprozess in Nanoporen

So gefriert Wasser in nanoporösem Gestein nicht bei null Grad Celsius, sondern erst bei deutlich tieferen Temperaturen. Der Physikprofessor Rolf Pelster von der Universität des Saarlandes und sein Doktorand Klaus Schappert konnten jetzt zeigen, dass Argon in Nanoporen nicht bei einer bestimmten Temperatur gefriert, sondern dass der Gefrierprozess über einen sehr breiten Temperaturbereich von etwa 45 Grad Celsius abläuft. Trotz dieses beeindruckenden Nanoeffektes ändern sich die elastischen Eigenschaften des gefrorenen Argons nicht.

Die Studie wurde nun in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

In Nanoporen ist der Gefrier- und Schmelzpunkt einer Substanz häufig zu deutlich tieferen Temperaturen hin verschoben. Doch auch andere Eigenschaften können sich im Nanometer-Bereich verändern, beispielsweise die Elastizität einer Substanz. Sie spielt insbesondere bei der Entwicklung von Nanomaterialien und in der Geophysik eine wichtige Rolle. Zur Erforschung dieser Nanoeffekte haben Physiker der Saar-Uni in ihrer jetzt veröffentlichten Studie untersucht, wie sich Argon in Poren mit einem Durchmesser von acht Nanometern verhält. Sie nutzten dazu Vycor-Glas, das aus einem komplexen, schwammartigen Porennetzwerk besteht.

In makroskopischen Dimensionen liegt der Gefrierpunkt von Argon, das eine einfache kugelförmige Struktur hat, bei 84 Kelvin (-189 Grad Celsius). Bisher wurde angenommen, dass Argon in nanoporösem Vycor-Glas bei einer bestimmten Temperatur vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Die Saarbrücker Wissenschaftler konnten mithilfe von Ultraschallmessungen jedoch zeigen, dass in den Nanoporen der Gefrierprozess erst bei 76 Kelvin (-197 Grad Celsius) einsetzt und erst bei 30 Kelvin (-243 Grad Celsius) abgeschlossen ist. In diesem breiten Temperaturbereich ist daher sowohl flüssiges als auch festes, gefrorenes Argon in den Poren vorhanden. Die Ursache dieses kontinuierlichen Gefrier- und Schmelzprozesses ist in der Nanobegrenzung und der starken Krümmung der Porenwand zu suchen. Dieser stark ausgeprägte Nanoeffekt führt aber nicht zu einer Änderung der elastischen Eigenschaften des adsorbierten Argons: Die gefrorenen Argon-Anteile haben die gleichen elastischen Eigenschaften wie „normales“ kristallines Argon außerhalb von Nanoporen.

Die Physiker zeigten darüber hinaus, dass entgegen bisheriger Annahmen das gesamte in die Poren gefüllte Argon gefriert. Die ungeordnete Oberfläche der Porenwände kann eine Kristallisation der ersten Argon-Lagen in der Nähe der Porenwand bei tiefen Temperaturen
nicht verhindern.

Die in der Studie vorgestellte Analyse von Ultraschallmessungen eröffnet durch ihre Übertragung auf andere, komplexere Substanzen und poröse Proben die Möglichkeit, die elastischen Eigenschaften von Substanzen und deren Gefrier- und Schmelzverhalten im Nanometerbereich weiter zu erforschen.
Link zur Studie: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.135701

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Klaus Schappert, Dipl.-Phys.
Experimentalphysik
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