Polymere in wechselhaften Konvois
In Computersimulationen zeigen langkettige Moleküle sowohl zähflüssige als auch elastische Eigenschaften.
Forscher der Universität Erlangen-Nürnberg haben erstmals experimentell eine neue Theorie bestätigt, die die Bewegung von langkettigen Molekülen in ihrer flüssigen Schmelze beschreibt. Demnach sind diese Schmelzen auf molekularer Skala nicht nur zähflüssig wie Honig, sondern weisen auch elastische Eigenschaften ähnlich wie ein Gummiband auf. Diese viskoelastische Eigenschaft führt zu koordinierten Bewegungen von größeren Atomgruppen innerhalb der Schmelze. Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis des Stofftransportes in Flüssigkeiten bei, der den Verlauf einer Vielzahl technologisch relevanter Prozesse maßgeblich bestimmt, wie das Laden und Entladen von Batterien, Elektrolyse und chemische Reaktionen.
Abb.: In Coputersimulationen berechneten FAU-Forscher die Bewegungen von langkettigen Molekülen und fanden heraus, dass diese sowohl zähflüssige als auch elastische Eigenschaften aufweisen. (Bild: T. Unruh)
Ziel der Forscher ist es, zu verstehen, wie Moleküle transportiert werden, zum Beispiel in organischen Flüssigkeiten und Zellmembranen. Im Rahmen seiner Doktorarbeit hat Humphrey Morhenn von der Uni Erlangen-Nürnberg dazu Neutronenstreuexperimente mit aufwändigen Computersimulationen kombiniert, in denen die Molekülbewegungen anhand physikalischer Modelle berechnet werden.
Diese Verbindung ermöglicht es, in einzigartiger Weise die hochkomplexen Molekülbewegungen im Detail zu beobachten und zu analysieren. „Durch die Neutronenstreuung lassen sich im Experiment die nur millionstel Millimeter großen Moleküle bei Bewegungen, die in Sekundenbruchteilen ablaufen, erstaunlich gut beobachten. Dabei wird eine Probe unter denselben äußeren Bedingungen, zum Beispiel unter gleichem Druck und bei gleichen Temperaturen, untersucht, wie sie im Computer simuliert werden,“ erläutert Tobias Unruh, der Leiter der Arbeitsgruppe.
Die Experimente fanden am TOFTOF-Spektrometer des Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrums in Garching statt. Dafür wurde eine Flüssigkeit in einen dünnwandigen Aluminiumbehälter gefüllt, auf 236 Grad Celsius erhitzt und in den Neutronenstrahl des Spektrometers gestellt. Die Ergebnisse dieser Experimente stimmen mit denen der Computersimulationen in hervorragender Weise überein. Der Auswertung der Computersimulation zufolge bewegen sich die Atome der Moleküle in der Flüssigkeit für kurze Zeit in Gruppen miteinander, bevor diese Gruppen zerfallen und die Atome sich anderen Gruppen anschließen, die dann auch wieder zerfallen. Dabei ließ sich erstmal zeigen, dass viskoelastische hydrodynamische Wechselwirkungen maßgeblich die Bewegung der Moleküle in Polymerschmelzen auf kurzen Zeitskalen beeinflussen.
FAU / AH
