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17.07.2012

Wie Materialien mit Nanoporen Flüssigkeiten aufsaugen


Benetzt man einen Zuckerwürfel mit Kaffee, so wird die Flüssigkeit sofort vom Zucker aufgesogen. Verantwortlich sind Kapillarkräfte, die in den Poren zwischen den Zuckerkristallen auf die Flüssigkeit wirken. Weitgehend unbekannt ist bisher, wie solche Benetzungsvorgänge in porösen Gläsern ablaufen, die eine ungewöhnliche mikroskopische Struktur haben. Dieser Frage haben sich theoretische Physiker der Universität des Saarlandes um Professor Heiko Rieger zusammen mit Experimentalphysikern von den Universitäten Hamburg und Düsseldorf gewidmet. In Vycor-Glas fanden sie eine besonders komplexe Struktur der Flüssigkeitsgrenzfläche, die sie anhand eines Porennetzwerk-Modells erklären konnten. Die Studie wurde nun im renommierten interdisziplinären Journal Proceedings of the National Academy of Science veröffentlicht.

Für die Papierherstellung, die Drucktechnik, die Ölförderung und viele andere Anwendungen ist es wichtig zu verstehen, wie das Aufsaugen von Flüssigkeiten durch poröse Materialien (Imbibition) vor sich geht. Dabei bildet sich meist eine kontinuierliche Flüssigkeitsgrenzfläche zwischen dem benetzten und dem noch nicht-benetzten Teil aus, die für viele poröse Materialien recht gut verstanden wird. Komplizierter scheinen die Benetzungsvorgänge in porösen Gläsern zu sein, insbesondere in Vycor-Glas, das unter anderem in der Medizin, der Pharmaforschung und der Biotechnologie verwendet wird. Es besteht aus einem komplexen Netzwerk aus langgestreckten Poren mit Durchmessern von nur wenigen Nanometern, so dass die Flüssigkeit spontan hunderte von Metern steigen kann, bevor die Schwerkraft die Kapillarkräfte ausgleicht.

Mit Licht- und Neutronenstreuexperimenten nahm das Forscherteam in seiner Studie die Grenzfläche zwischen dem noch trockenen und dem schon benetzten Teil in Vycor-Glas genauer unter die Lupe. Dabei fanden die Wissenschaftler heraus, dass diese so genannte Imbibitionsfront nicht als schmale Linie verläuft, sondern sich schnell sehr stark verbreitert und eine besonders komplexe Struktur ausbildet.

Die Forscher der Saar-Uni haben darauf ein theoretisches Modell entwickelt, welches dieses Phänomen erklärt: Die Flüssigkeit bildet in den langgestreckten Poren von Vycor-Glas konkave Flüssigkeitsgrenzflächen (Menisken) aus, die sich relativ unabhängig voneinander bewegen, obgleich sie alle durch die Flüssigkeit im benetzten Bereich miteinander verbunden sind. An Poren-Verzweigungen mit unterschiedlichen Radien der auslaufenden Poren kann es nun passieren, dass der Meniskus in der dickeren Pore für lange Zeit festgehalten wird. Dies führt zu einer sehr zerfaserten Imbibitionsfront und sogar zu noch leeren Löchern im bereits benetzten Teil, die sich erst zu einem viel späteren Zeitpunkt schließen. Diese löchrigen Teile gehören dann quasi auch noch zur Grenzfläche, die hierdurch extrem breit wird.

Diese Erkenntnisse der Physiker der Saar-Uni um Professor Rieger helfen, die komplexen mikroskopischen Vorgänge in Benetzungsvorgängen in porösen Gläsern besser zu verstehen. Vycor-Glas wird in vielen Bereichen verwendet: Unter anderem ist es ein ideales Material für die Stofftrennung, beispielsweise in der Chromatografie, und als Membran spielt es eine wichtige Rolle bei der Trinkwassergewinnung aus Meerwasser. Auch für die Entwicklung weiterer Nanomaterialien wird das Verständnis der Benetzungsvorgänge zunehmend wichtiger, beispielsweise bei der Herstellung so genannter Hybridfestkörper, bei denen ein weicher Kern von einer harten Hülle umschlossen wird.

—> Originalpublikation

Quelle: idw/Universität des Saarlandes




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