Adsorption von atmosphärischem Wasserdampf

Die Adsorption von atmosphärischem Wasserdampf ist ein sehr ausgeprägter Effekt mit einer in ökonomischer Hinsicht zumeist sehr nachteiligen Auswirkung. Dies betrifft sowohl technologisch anspruchsvolle Gebiete der Grundlagenforschung (z.B. Erzeugung extrem niedriger Drucke in der Hochenergiephysik) als auch Qualität und Lebensdauer technischer Produkte (in Mikroelektronik, Optik, Beleuchtungsindustrie, Korrosionsforschung, etc.). Es ist daher ein naheliegender Wunsch, die Wasseradsorption besser verstehen und gezielt steuern zu können. Die etablierten Methoden der Oberflächenphysik erforden aber sehr niedrige Drucke (Ultrahochvakuum) und können daher keine brauchbare Information über atmosphärische Adsorptionsvorgänge liefern. Im Rahmen dieses Projekts soll untersucht werden, inwieweit die in anderen Gebieten bereits gut etablierte Tritium-Tracer-Technik (TTT) hier ein Tor in wissenschaftliches Neuland öffnen kann. Vom Antragsteller durchgeführte Tests haben erfolgversprechende Ergebnisse gezeigt und dieser Technik hohes Potential hinsichtlich Nachweisempfindlichkeit und Meßgenauigkeit bescheinigt, wobei auch die Möglichkeit, mit dem gleichen Instrumentarium einen direkten Vergleich der Phänomene im Vakuum und an Atmosphäre anzustellen, verifiziert werden konnte. Der Projektplan sieht eine detaillierte Studie betreffend die Leistungsfähigkeit der Tritium-TracerTechnik hinsichlich quantitativer Messungen an extrem niedrigen Wasserbedeckungen und der entsprechenden Adsorptionskinetik vor. Ziel ist es, sowohl übliche Werkstoffe wie z.B. Stahl und Aluminium, als auch spezielle Materialoberflächen (z.B. reinste Gold- und Hartmetallschichten, etc.) hinsichtlich der Reaktionskinetik mit Wassermolekülen zu studieren. Bei entsprechender Eignung kann der Anwendungsbereich dieser Technik später auch in Richtung anderer kondensierbarer Gase und Dämpfe erweitert werden. Die Ergebnisse dieses Projekts sollen zu einem besseren Verständnis der atmosphärischen Wasseradsorption führen und dazu beitragen, geeignete Auswahlkriterien und Verfahren für die Präparation von Materialien mit geringer Wasseradsorption zu finden - ein für die Ökonomie zeitund kostenintensiver Prozeßabläufe wichtiger Hoffnungsträger.

Es wurde eine Methode für quantitative Messungen kleinster Wassermengen auf technischen Oberflächen an Atmosphäre und im Vakuum entwickelt. Die neue Methode stellt ein vielfältiges Instrument für diese bisher unzugängliche Fragestellung dar und erleichtert u. a. die Entwicklung, Beurteilung und Verbesserung neuer Vakuummaterialien, was innerhalb von wenigen Jahren wesentliche ökonomische Vorteile erwarten lässt. Das grundlegende Problem Auf Grund atmosphärischer Feuchtigkeit sind alle Oberflächen mit 10 bis 100 monomolekularen Lagen Wasser bedeckt. Obwohl solche Mengen in makroskopischer Hinsicht vernachlässigbar sind, haben sie doch signifikante und meist nachteilige Auswirkungen hinsichtlich Qualität und Lebensdauer industrieller Produkte sowie hoher Investitions- und Betriebskosten in vielen Bereichen der Grundlagenforschung. Eine Reduzierung der atmosphärischen Wasseradsorption würde weltweit bis zu mehrere hundert Millionen Euro pro Jahr einsparen. Die neue Methode Die neue Methode basiert auf der radioaktiven Tracertechnik: Einsatz einer Substanz mit bekannter spezifischer Radioaktivität A (Einheit: Bq/g), wobei die unbekannte Stoffmenge aus der Messung ihrer Radioaktivität und deren Vergleich mit dem Wert A bestimmt wird. HTO Im Fall von Wasser bietet sich das radioaktive Wasserstoffisotop Tritium an (Symbol T, nur geringes Strahlenrisiko, Halbwertszeit 12,3 Jahre). Daher wurde Tritium-markiertes Wasser (HTO) eingesetzt und eine Apparatur für die HTO-Exposition von Prüflingen entwickelt. Die Messungen erfolgten mittels Flüssig- Szintillations-Spektrometrie. Ergebnisse Es konnte gezeigt werden, dass die neue Methode die Messung von Wasserbedeckungen bis zu 1012 Molekülen/cm 2 erlaubt ( 1 % einer monomolekularen Bedeckung), sogar wenn nur wenige cm Probenoberfläche zur Verfügung stehen. Sie ist für den direkten Vergleich der Adsorptionsfähigkeit unterschiedlicher Materialien für Wassermoleküle geeignet, ohne die Nachteile der Vakuummethode (große Probenmengen, lange Messzeiten). Bisher wurden Stahl-, Alu-, Si-, und Gold-Oberflächen, sowie Si- und TiN-beschichteter Stahl untersucht, wobei eine vorläufige Rangordnung der Materialien aufgestellt werden konnte. Hauptarbeit war die Messung der Verweilzeiten von Wassermolekülen in Atmosphäre und Vakuum, wobei Beobachtungszeiten von mehreren Wochen erreicht wurden.