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Kurznachrichten Dezember 2013

Gruppendynamik von Atomen

Wie bewegen sich langkettige Moleküle in ihrer Schmelze? Dieser Frage sind Forscher des Jülich Centre for Neutron Science (JCNS), der TU München und der Universität Straßburg unter Federführung der Arbeitsgruppe um Prof. Tobias Unruh von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg nachgegangen. Mithilfe 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 sogenannte 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, zum Beispiel Katalyse in der flüssigen Phase, maßgeblich bestimmt.

Bei den Neutronenstreuexperimenten am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching machten die Forscher sich zunutze, dass Neutronen ihre Geschwindigkeit und Flugrichtung ändern, wenn sie mit den Molekülen der auf 236 Grad Celsius erhitzten Probe zusammenstoßen. Diese Bewegungsänderungen haben die Wissenschaftler gemessen und daraus Rückschlüsse auf die Anordnung der Atome und deren Bewegung in der Probe ziehen können. Die Ergebnisse der Experimente stimmen mit denen der Computersimulationen überein. Eine detaillierte Auswertung der Computersimulation zeigt, dass sich die Atome der Moleküle in der Probe für kurze Zeit in Gruppen miteinander bewegen, bevor diese Gruppen zerfallen und die Atome sich anderen Gruppen anschließen, die dann auch wieder zerfallen. In der veröffentlichten Arbeit konnte erstmals anhand dieser experimentell gestützten Simulationsrechnungen gezeigt werden, dass viskoelastische hydrodynamische Wechselwirkungen maßgeblich die Bewegung der Moleküle in Polymerschmelzen auf kurzen Zeitskalen beeinflussen.

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

Jülich Centre for Neutron Science, Bereich Neutronenstreuung (JCNS-1)


Gut aufgestellt für Forschung an Batterien und Brennstoffzellen

Die Jülicher Forschung an Energiespeichern und -wandlern der Zukunft wird weiter ausgebaut. Zwei neue Instrumente sollen Wissenschaftlern neue Möglichkeiten eröffnen, die Prozesse in Batterien und Brennstoffzellen während des laufenden Betriebs zu untersuchen. Kosten: rund 1,2 Millionen Euro. Bei den Geräten handelt es sich um ein 400-Megaherz-Kernspinresonanz- sowie ein Elektronenspinresonanz-Spektrometer. Anfang 2014 sollen sie am Institut für Energie- und Klimaforschung in Betrieb gehen.

"Wir sind jetzt am Institut in der Lage, die Diffusion einzelner Ionen in Brennstoffzellen- und Batteriematerialien auf atomarer Ebene zu verfolgen", erläutert Direktor Prof. Rüdiger Eichel, Leiter des Bereichs Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9). Damit können einzigartige Einblicke in die Funktionsweise und Materialeigenschaften elektrochemischer Bauteile gewonnen werden. Die Erkenntnisse bilden die Grundlage für eine gezielte Weiterentwicklung zukünftiger Batterien und Brennstoffzellen.

Die Jülicher Wissenschaftler forschen an einem neuen Typ Batterie, der ohne knappe Rohstoffe auskommt, umweltverträglich und robust ist. Ein besonders hoch eingeschätzter Kandidat ist die Lithium-Luft-Batterie, die theoretisch die 50-fache Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Akkus erreichen könnte. Doch Lithium reagiert heftig mit Luftfeuchtigkeit oder Wasser und ist deswegen schwierig zu verarbeiten. Entsprechend teuer sind die auf Lithium basierenden Batterien. Andere Luftbatterien auf Basis von Silizium oder Metallen wie Eisen, Zink oder Aluminium bilden deswegen eine attraktive Alternative: Diese Elemente kommen sehr häufig in der Erdkruste vor und sind praktisch unbegrenzt verfügbar.

Informationen zum Institut für Energie und Klimaforschung, Bereich Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)

Neues Instrument für die Materialforschung

Nach einer Testphase geht am Jülicher Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA) im Januar ein neues Instrument offiziell in Betrieb: Die Atomsonde "3D-Atomprobe" wird in der Erforschung von Materialien eingesetzt und ergänzt dort die Elektronenmikroskopie. Mit dem zwei Millionen Euro teuren Gerät lässt sich die atomare Zusammensetzung einer Probe ebenso wie die räumliche Verteilung der Elemente analysieren und dreidimensional abbilden. Ihren Einsatz findet die „3D-Atomprobe“ zum Beispiel bei der Erforschung von Metallen und Legierungen, die in Batterien, Hochtemperaturwerkstoffen oder Brennstoffzellen zum Einsatz kommen sollen. So lassen sich mit ihrer Hilfe Alterungsprozesse in Solarzellen untersuchen. Bisher sind in Deutschland nur wenige "3D-Atomproben" im Einsatz. In NRW betreibt das Max Planck-Institut in Düsseldorf ein Gerät.

Das ZEA ist in die Institutsbereiche Engineering und Technologie (ZEA-1), Systeme der Elektronik (ZEA-2) sowie Analytik (ZEA-3) aufgeteilt und unterstützt andere Jülicher Institute mit Geräten, Werkzeugen und bildgebenden Verfahren. Die Jülicher Atomsonde wird von Dr. Uwe Breuer und Dr. Aleksei Savenko im Bereich Analytik betreut.

Informationen zum Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA)

Aktuelle Termine

Auf Seite http://www.fz-juelich.de/termine finden Sie aktuelle Konferenzen und Veranstaltungen im und mit dem Forschungs¬zentrum Jülich, unter anderem:

Siebtes NIC-Symposium in Jülich

12. – 13. Februar 2014, Forschungszentrum Jülich, Auditorium
Das siebte Symposium des Jülicher John von Neumann-Instituts für Computing (NIC) schafft einen Überblick über die aktuellen Aktivitäten des Instituts sowie über die Ergebnisse, die Forschergruppen in den vergangenen zwei Jahren mit Unterstützung des NIC erzielten.

Mehr Informationen zum NIC-Symposium 2014

"Jugend forscht" geht in die nächste Runde

14. Februar, Forschungszentrum Jülich, Auditorium
Das Forschungszentrum Jülich und das Schülerlabor JuLab begrüßen auch 2014 junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu einer neuen Runde „Jugend forscht“. Schülerinnen und Schüler aus dem Raum Aachen/Düren/Jülich und Köln werden ihre naturwissenschaftlichen Experimente präsentieren und auf eine Platzierung und damit auf einen Platz beim NRW-Wettbewerb hoffen.

Mehr Informationen unter:
http://www.jugend-forscht.de/

Publikationen

Forschen in Jülich als App

Datenspeicher der Zukunft stehen im Zentrum der aktuellen Ausgabe des Magazins "Forschen in Jülich". Während immer größere Datenmengen gespeichert werden müssen, sollen Speichermedien immer kleiner und schneller werden. Doch eine neue Generation der Speichertechnik ist bereits in Sicht: Resistive RAM (ReRAM).

"Forschen in Jülich" gibt es als App für Android-Tablets und für das iPad. Als PDF ist das Magazin auf der Website des Forschungszentrums aufrufbar.

App und PDF:
http://www.fz-juelich.de/portal/DE/Presse/Mediathek/Apps/_node.html

Pressekontakt

Erhard Zeiss
Tel. 02461 61-1841
e.zeiss@fz-juelich.de


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