Verbesserte Analyse poröser Materialien
Neues Modell erfasst physikalische Eigenschaften von Porennetzwerken.
In der Verpackung von Elektroartikeln nehmen Beutel mit kleinen Kugeln Feuchtigkeit auf und schützen so die Artikel vor Beschädigung. „Diese Materialien sind mit einem Schwamm vergleichbar“, erläutert der Physiker Rustem Valiullin von der Universität Leipzig. Er und seine Arbeitsgruppe haben einen Weg gefunden, die Eigenschaften dieser Materialien präziser zu bestimmen, weil sie die zugrundeliegende Unordnung besser berücksichtigen können. Ihre Erkenntnisse liefern eine genaue Beschreibung von Phasenübergangsphänomenen in ungeordneten porösen Materialien.
Bei den mesoporösen Materialien sind die Öffnungen ungleich kleiner als bei einem normalen Schwamm: Ihre Durchmesser bewegen sich im Nanobereich von zwei bis fünfzig Nanometer und sind mit dem menschlichen Auge nicht wahrnehmbar. Dennoch sind sie durch ihre Eigenschaften zum Beispiel für die Trennung von Stoffen von Interesse. Diese erfolgt dabei beispielsweise in Abhängigkeit von der Molekül- und Porengröße. Bislang konnte man die gewünschten Eigenschaften dieser Materialien nur näherungsweise über Experimente herausfinden. „Es beruht also eher auf Erfahrungen, ob man bestimmen kann, welche der Strukturen für welche Anwendungen verwendet werden kann“, so der Physiker. Denn das Problem besteht darin, dass diese Materialien meist ungeordnet sind, also dass Poren verschiedener Größen im Material eine komplexe Netzwerkstruktur bilden.
Die Forscher haben ein Modell entwickelt, das die Merkmale erfasst, die in den komplexen Porennetzwerken zu beobachten sind. „Wir können statistisch beschreiben, wie die einzelne Poren in diesen Netzwerken untereinander gekoppelt sind“, sagt Valiullin. „Wir vermählen die Unordnung mit der Ordnung.“ Dadurch ist es möglich, die physikalischen Phänomene zu erfassen, die etwa bei Gas-Flüssigkeits- und Fest-Flüssigkeits-Phasenübergängen verstanden werden müssen. Und das nicht nur in der Theorie: Unter Verwendung spezieller mesoporöser Modellsysteme konnte mit einem Kernspinresonanz-Spektrometer belegt werden, dass die theoretischen Ergebnisse auch unmittelbar in die Praxis umgesetzt werden können.
Dies dürfte in Zukunft den Einsatz solcher Materialien vereinfachen, die zum Beispiel dabei helfen, Medikamente über einen definierten, durchaus auch längeren Zeitraum erst dann im menschlichen Körper freizusetzen, wenn das notwendig und erwünscht ist. Weitere Einsatzfelder derartiger Materialien liegen unter anderem in den Bereichen Sensorik sowie Energiespeicherung und -wandlung.
U. Leipzig / JOL
