Diffusion in Gläsern untersucht mittels Röntgenkorrelationsspektroskopie

Glas wird seit mehreren Tausend Jahren in unterschiedlicher Form verarbeitet. Es hat einen sehr großen Anwendungsbereich, von Schmuck über Alltagsgegenstände und dem Einsatz unter extremen Belastungen bis hin zur Verwendung für die Energiespeicherung. In letzter Zeit wurden beachtliche Fortschritte im Bereich von Festoxidbrennstoffzellen, Batterien und Superkondensatoren, von elektrochemischen Sensoren und von funktionalen Polymeren erzielt. Einige grundlegende Konzepte, wie der Transport von Ionen in ungeordneten Materialien, sind jedoch immer noch kaum verstanden. Die Eigenschaften eines Glases werden von den Atomen bestimmt, aus denen es zusammengesetzt ist. Diese Atome sind in ständiger Bewegung in Form von Diffusion. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, die Diffusion im Glas auf atomarer Ebene zu untersuchen. Die so gewonnenen Erkenntnisse können zur Verbesserung von Eigenschaften wie Stabilität und Leitfähigkeit aber auch zur Weiterentwicklung von Herstellungsprozessen dienen. Wichtig ist es dabei, Glas in dem Zustand zu untersuchen, den es bei seiner Anwendung hat. Meist wird Glas in fester Form verwendet. Es muss daher bei bei Temperaturen weit unterhalb seines Schmelzpunktes analysiert werden werden. Mit den üblichen experimentellen Methoden zur Untersuchung atomarer Sprünge ist dies nicht möglich. Dies liegt daran, dass sich die Atome im Glas bei niedrigen Temperaturen sehr langsam bewegen, sodass dies von herkömmlichen Techniken nicht aufgelöst werden kann. Hier kommt Röntgen-Photonen-Korrelationsspektrosopie ins Spiel. Diese Methode verfolgt einen neuen Ansatz, bei dem zeitliche Änderungen in den Streubildern miteinander verglichen (korreliert) werden, wodurch Rückschluss auf die Bewegung der Streuer (Atome) möglich ist. Um dies zu bewerkstelligen wird Röntgenstrahlung mit den Eigenschaften von Laserlicht benötigt. Die einzigen Strahlungsquellen, die Röntgenlicht mit ausreichender Qualität liefern, sind Synchrotrons. Erst im letzten Jahrzehnt war die Brillanz, das Maß für die Qualität der Strahlung, hoch genug, um diese neue Methode auf atomare Ebene weiterzuentwickeln. Es war im Zuge eines vorangegangenen Projektes möglich zu zeigen, dass damit atomare Diffusion in kristallinen Materialien untersucht werden kann. In diesem Projekts wollen wir mit dieser Technik nun amorphe Materialien untersuchen. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher theoretischer Ansätze und Modelle um Diffusion in Gläsern zu erklären. Allerdings gibt kein einfaches, generell akzeptiertes Transportmodell in der Literatur. Röntgen- Photonen-Korrelationsspektrosopie macht es möglich, Modelle für atomaren Transport direkt mit experimentellen Befunden zu vergleichen. Dadurch wird es möglich, quantitative Aussagen über die Qualität verschiedener Modelle zu treffen und damit ein besseres Verständnis der atomaren Bewegung in Gläsern zu gewinnen.

Glas wird seit mehreren tausend Jahren in unterschiedlicher Form verarbeitet und stellt heute ein aktives und vielversprechendes Forschungsfeld dar. Das Verständnis von ungeordneten Feststoffen auf einer fundamentalen Ebene im Allgemeinen und das Verständnis der Ionenleitung in diesen Materialien im Besonderen sind immer noch eine grundlegende Herausforderung. Die Dynamik der netzwerkformenden Einheiten in Glas spielt eine zentrale Rolle bei der Entschlüsselung der Eigenschaften dieser Materieform, vor allem ihrer außer-gewöhnlich hohen Ionenleitfähigkeit. In letzter Zeit wurden beträchtliche Fortschritte bei einigen wichtigen Bestandteilen auf dem gegenwärtigen Markt, wie Festoxid-Brennstoffzellen, Batterien, Superkondensatoren, elektrochemische Sensoren und funktionellen Polymere, erzielt. Nach wie vor gibt es keinen Konsens über ein allgemein akzeptiertes Transportmodell in Bezug auf die schnelle Ionenleitfähigkeit. Angesichts des derzeit starken Interesses auf diesem Gebiet und der Fülle experimenteller und theoretischer Arbeiten ist es unser Ziel, die Bewegung der Ionen auf atomarer Ebene in ionisch leitendem Borat- und Quarzglas zu be-leuchten. Wir sind zuversichtlich, dass die gewonnenen Erkenntnisse auf viele andere Ionen-gläser übertragen werden können. Ein besseres Verständnis der atomaren Dynamik trägt nicht zuletzt zu einem besseren physikalischen Verständnis in puncto spezifische Eigen-schaften und Stabilität der untersuchten Materialien bei, sondern öffnet auch Türen zu tech-nischen Anwendungen und einem verbesserten Herstellungsprozess. Untersuchungen dieser Bewegungsmechanismen, auch Diffusion genannt, auf der Skala einzelner Atome sind trotz der Existenz einer Reihe gut etablierter Methoden zur experimen-tellen Untersuchung der Diffusion in Festkörpersystemen immer noch eine Herausforderung. Aufgrund der relativ langsamen atomaren Bewegung in Festkörpern ist eine neue und vielversprechende Technik, basierend auf der Streuung von Röntgenphotonen, unsere Methode der Wahl. Die Röntgenstreuung an den Atomen führt bei Oxid-Gläsern jedoch dazu, dass eine stationäre Dynamik induziert wird, welche proportional zu der Anzahl der absorbierten Photonen pro Atom ist. Aus dieser Beschleunigung der Dynamik konnten wir nun profitieren, denn im Vergleich zu Leitfähigkeitsmessungen derselben Materialien erkannten wir, dass die Bewegung leitfähiger Ionen weitgehend vom Glasnetzwerk entkoppelt ist und dass die Anordnung der Alkali-Plätze, zu denen sich die Ionen hinbewegen können, im selben Zeitfenster stabil bleibt wie die des umgebenden Netzwerks. Es herrscht also eine Diskrepanz zwischen der schnellen Diffusion leitfähiger Ionen, welche in Gläsern mit hoher Ionenkonzentration auf einer Konfiguration ionen-spezifischer, dicht besiedelter Stellen über einen aus kristallinen Materialien bekannten Leerstellenmechanismus stattfindet, und der Langlebigkeit des Glasnetzwerk.