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Gruppendynamik von Atomen

6. Dezember 2013

Wie bewegen sich langkettige Moleküle in ihrer Schmelze? Dieser Frage sind Wissenschaftler des Jülich Centre for Neutron Science, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), der Technischen Universität München und der Universität Straßburg nachgegangen. Mit Hilfe von Neutronenstreuexperimenten und Computersimulationen gelang es ihnen, erstmals experimentell eine neue Theorie zu bestätigen, die davon ausgeht, dass die Schmelzen auf molekularer Skala nicht nur zähflüssig wie Honig sind, sondern auch elastische Eigenschaften ähnlich wie ein Gummiband aufweisen. Diese so genannte 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 wie das Laden bzw. Entladen von Batterien, der Elektrolyse und chemische Reaktionen, z.B. Katalyse in der flüssigen Phase, maßgeblich bestimmt.

2013-12-06-GruppendynamikAtomeIn Computersimulationen berechneten die FAU-Forscher die Bewegungen von langkettigen Molekülen – und fanden heraus, dass diese sowohl zähflüssige als auch elastische Eigenschaften aufweisen.
Quelle: T. Unruh

Die FAU-Arbeitsgruppe für Nanomaterialcharakterisierung (Streumethoden) untersucht die Bewegung von Molekülen in Flüssigkeiten und biologischen Membranen, um zu verstehen, wie Moleküle transportiert werden. Im Rahmen seiner Doktorarbeit hat Humphrey Morhenn dazu Neutronenstreuexperimente, bei denen die Bewegungen der Moleküle über die Wechselwirkung mit Neutronen sichtbar gemacht werden, 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“, sagt der Leiter der Arbeitsgruppe, Prof. Dr. Tobias Unruh.

Die Experimente wurden am TOFTOF-Spektrometer des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums in Garching durchgeführt. Dafür wurde eine Flüssigkeit in einen dünnwandigen Aluminiumbehälter gefüllt, auf 236 Grad Celsius erhitzt und in den Neutronenstrahl des Spektrometers gestellt. Dabei stoßen, vereinfacht gesagt, die Neutronen mit den Molekülen zusammen und ändern Geschwindigkeit und Flugrichtung. Diese Bewegungsänderungen haben die Wissenschaftler gemessen. Aus Ablenkung und Geschwindigkeitsänderung können Forscher nun Rückschlüsse auf die Anordnung der Atome und deren Bewegung in der Flüssigkeit ziehen. Die Ergebnisse dieser Experimente stimmen mit denen der Computersimulationen in hervorragender Weise überein. Eine detaillierte Auswertung der Computersimulation zeigt, dass sich die Atome der Moleküle in der Flüssigkeit für kurze Zeit in Gruppen miteinander bewegen, bevor diese Gruppen zerfallen und die Atome sich anderen Gruppen anschließen, die dann auch wieder zerfallen usw.

In der veröffentlichten Arbeit konnte in enger Zusammenarbeit mit einer Theoriegruppe der Universität Straßburg erstmals anhand dieser experimentell gestützten Simulationsrechnungen gezeigt werden, dass viskoelastische hydrodynamische Wechselwirkungen maßgeblich die Bewegung der Moleküle in Polymerschmelzen auf kurzen Zeitskalen beeinflussen. „Die hier erzielten Ergebnisse bilden eine wichtige Grundlage für weitere Untersuchungen auch und gerade im Bereich der Protein-Membran-Wechselwirkung für den vor einigen Wochen ein DFG-Graduiertenkolleg an der FAU genehmigt wurde“, sagt Tobias Unruh.

Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft – u.a. im Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials (EAM) an der FAU – gefördert.

Originalveröffentlichung:

Collective Intermolecular Motions Dominate the Picosecond Dynamics of Short Polymer Chains; H. Morhenn, S. Busch, H. Meyer, D. Richter, W. Petry, T. Unruh;
Phys. Rev. Lett. 111, 173003 (2013); DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.173003

Pressemitteilung der Universität Erlangen-Nürnberg (2. Dezember 2013)

Jülich Centre for Neutron Science – Neutronenstreuung (JCNS-1)


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