18.03.2021

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.

Abb.: Physiker Rustem Valiullin mit einem Kernspin­resonanz-Spektro­meter....
Abb.: Physiker Rustem Valiullin mit einem Kernspin­resonanz-Spektro­meter. (Bild: S. Reichhold, U. Leipzig)

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

Weitere Infos

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Meist gelesen

Photo
14.09.2023 • NachrichtForschung

Knick im Jet

Verbogener Jet aus supermassereichem schwarzem Loch vermutlich auf Präzession der Jet-Quelle zurückzuführen.

Themen