Nichtgleichgewichtsphasen beim Wachsen von kleinen Kristallen - eine ultraschnelle in situ-SAXS-, -WAXS- und -PDF-Charakterisierung

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Magerl; Professor Dr. Richard Weihrich; Professor Dr. Dirk Zahn
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 233885349

In diesem Projekt sollen zwei zentrale Themenbereiche bearbeitet werden:1) Die Evolution der strukturellen Eigenschaften während der Bildung und des Wachstums kleiner Kristalle in Fällungsreaktionen soll bereits 10 μs nach der Mischung der Komponenten in situ mittels SAXS (Morphologie der Teilchen), WAXS (Kohärenzvolumen, Kristallstruktur und Phasenumwandlungen) und Totalstreuung (nichtperiodische Ordnungen, Defekte und Phasenumwandlungen) beobachtbar gemacht werden. Mit diesem Ansatz wird ein bislang nicht zugänglicher Zeitbereich der Teilchenbildung und frühen Strukturformung erstmals durch Streumethoden erschlossen. Der Informationsgehalt der drei Methoden ist zum Teil überlappend, wodurch eine zuverlässige Interpretation der Messergebnisse sichergestellt ist und eine solide Datenbasis für Modellrechnungen geschaffen wird.2) Wie groß muss ein Kristall sein damit er seine adulte Struktur annimmt? Kleine Agglomerate oder Kristallite liegen zum Teil in amorpher Form oder in nichtperiodischen Anordnungen z. B. mit hoher Stapelfehlerdichte vor, die üblicherweise als Kristallbaufehler bezeichnet werden. Wir wollen der Frage nachgehen, ob beobachtete nichtkristalline Ordnungen bei kleinen Teilchen Nichtgleichgewichtsphasen sind oder eine intrinsische Eigenschaft kleiner Kristalle darstellen. Die Modellierungen von D. Zahn (strukturelle Evolution von Ionenclustern vom Dimer bis zu Aggregaten aus hunderten von Ionen einschließlich Reifungsreaktionen) und R. Weihrich (Modellierungen zu Kristallkeimen bezüglich Struktur, Dynamik und Stabilität auf sehr genauem ab initio-Niveau) sind für diese Diskussion von fundamentaler Bedeutung.Auf Grund unserer Erfahrung werden zu Beginn Untersuchungen an Sulfiden synthetisiert aus wässrigen Lösungen (CdS, PbS, ZnS, Ag2S) durchgeführt. Der neue experimentelle Ansatz soll aber auch anderen Probensystemen im Projekt und darüber hinaus zur Verfügung gestellt werden.Wesentlich für den experimentellen Teil dieses Projektes ist die Konstruktion einer Mischerzelle. Sie soll einerseits einen frühen Messpunkt nach Kristallisationsbeginn (10 μs) zugängig machen, andererseits soll sie auch eine hohe Zeitauflösung für die Kristallisationszeit bieten (15 % für kurze Kristallisationszeiten, besser 1 % bei Kristallisationszeiten länger als 1 ms). Dies wird erreicht durch einen schnellen Mischer mit einem freien Flüssigkeitsstrahl für das Produkt. Durch den freien Strahl wird zusätzlich Untergrundstreuung wesentlich reduziert, so dass Daten in hoher Qualität gewonnen werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1415: Kristalline Nichtgleichgewichtsphasen - Präparation, Charakterisierung und in situ-Untersuchung der Bildungsmechanismen