Studying Zeolitic Diffusion by Interference and IR Microscopy
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die methodischen Entwicklungen der Interferenz- und IR-Mikroskopie im Rahmen des vorliegenden Projektes offenbarten – oft sich wechselseitig ergänzend und stärkend – ein Potential dieser beiden Techniken des Micro-Imaging, wie es zu Projektbeginn in keiner Weise absehbar war. So war es hauptsächlich der Universalität ihres Einsatzes und ihrer Aussagemöglichkeiten zu danken, dass – mit den nanoporösen Gläsern – ein ideales Modellsystem gefunden werden konnte, bei dem im Experiment direkt und unmittelbar die Konsistenz der Aussagen der unterschiedlichen Messtechniken zum Stofftransport in nanoporösen Materialien – das Kernanliegen der Forschergruppe – nachgewiesen wurde. Die Erfolge, die mit diesen Techniken im Projektverlauf erzielt wurden, gehen aber weit über diesen Rahmen hinaus und betreffen gleichermaßen Grundlagenforschung und Applikation. So gelang dank der unikalen Möglichkeiten des IR-Micro-Imaging erstmalig der experimentelle Konsistenznachweis beim Vergleich von Transporterscheinungen unter Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsbedingungen in nanoporösen Materialien, einem Schwerpunkt aktueller Forschung bei der Untersuchung mesoskopischer molekularer Systeme. Weiterhin wurde, abweichend von der bisherigen Vorstellung von einer quasihomogenen Schicht stark verminderter Permeabilität, der Nachweis erbracht, dass der Transportwiderstand an der Oberfläche nanoporöser Materialien vielmehr auch durch eine vollständige Blockade der Mehrzahl der Eintrittsporen hervorgerufen werden kann. Zugleich damit konnte eine plausible Erklärung für den erstaunlichen Befund geliefert werden, dass viele der aus der Literatur bekannten makroskopisch bestimmten Diffusionskoeffizienten um Größenordnungen unter den „wahren“ intrakristallinen (also mikroskopisch bestimmten) liegen, aber dennoch – z.B. in ihren Aktivierungsenergien oder ihrer Abhängigkeit von der jeweiligen Molekülsorte – den mikroskopisch bestimmten, intrakristallinen Diffusionskoeffizienten folgten. Die besondere technologisch-methodische Bedeutung des Micro-Imaging mittels Interferenz- und IR-Mikroskopie resultiert aus der Möglichkeit, im Sorptions- oder Desorptionsgeschehen unmittelbar die Entwicklung der Konzentration an der Kristallgrenzschicht zu verfolgen. Damit ergibt sich eine einfache Möglichkeit, den – zumeist unerwünschten – Einfluss von Oberflächentransportwiderständen auf das Gesamtsorptionsgeschehen zu bestimmen, mit der Oberflächenpermeabilität als zugehöriger technologischer Kenngröße, die damit erstmalig direkt bestimmt werden kann. Zugleich damit ergibt sich eine direkte Messvorschrift zur Bestimmung von Einfang-(sticking-)Koeffizienten an nanoporösen Materialien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Exchange Dynamics at the Interface of Nanoporous Materials with their Surroundings, Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 228301
L. Heinke, P. Kortunov, D. Tzoulaki, J. Käger
- Exploring Crystal Morphology of Nanoporous Hosts from Time-Dependent Guest Profiles, Angew. Chem. Int. Ed. 47 (2008) 3954 –3957
D. Tzoulaki, L. Heinke, W. Schmidt, U. Wilczok, J. Kärger
- Assessing Surface Permeabilities from Transient Guest Profiles in Nanoporous Host Materials, Angew. Chem. Int. Ed. 48 (2009) 3525-3528
D. Tzoulaki, L. Heinke, H. Lim, J. Li, D. Olson, J. Caro, R. Krishna, C. Chmelik, J. Kärger
- Assessing Molecular Transport Properties of Nanoporous Materials by Interference Microscopy: Remarkable Effects of Composition and Microstructure on Diffusion in the Silicoaluminophosphate Zeotype STA-7, J. Amer. Chem. Soc. 132 (2010) 11665 – 11670
D. Tzoulaki, L. Heinke, M. Castro, P. Cubillas, M.W. Anderson, W. Zhou, P.A.Wright, J. Kärger
- Mass Transfer in a Nanoscale Material Enhanced by an Opposing Flux, Phys. Rev. Lett. 104 (2010) 085902
C. Chmelik, H. Bux, J. Caro, L. Heinke, F. Hibbe, T. Titze, J. Kärger
- Correlating surface permeability with intracrystalline diffusivity in nanoporous solids, Phys. Rev. Letts. 106 (2011) 074501
L. Heinke, J. Kärger
- Micro-imaging of transient guest profiles in nanochannels. J. Chem. Phys. 135 (2011) 184201-1-5
Hibbe, F.; Marthala, R.; Chmelik, C.; Weitkamp, J.; Kärger, J.
- The nature of surface barriers on nanoporous solids explored by microimaging of transient guest distributions, J. Am. Chem. Soc. 133 (2011) 2804- 2807
F. Hibbe, C. Chmelik, L. Heinke, S. Pramanik, J. Li, D. M. Ruthven, D. Tzoulaki, J. Kärger
