Fachbereich 12 - Chemie und Pharmazie
Institut für Physikalische Chemie
HD Dr. D. Wilmer

Translations- und Rotationsdynamik in kationenleitenden Rotorphasen

Einige einfache kristalline Materialien wie Natriumorthophosphat und Lithiumsulfat zeigen kubische Hochtemperaturphasen, in denen sowohl schnelle Kationendiffusion als auch dynamische Rotationsfehlordnung der mehratomigen Anionen vorliegt. Der Anstieg der Kationenleitfähigkeit beim Phasenübergang kann mehrere Dekaden betragen. Eine wichtige Fragestellung in diesem Zusammenhang zielt auf den möglichen Einfluss der Anionenfehlordnung auf den kationischen Transportprozess. Im Rahmen unserer Forschung an diesen kationenleitenden Rotorphasen werden die Elementarschritte von Kationen-Platzwechsel und Anionenreorientierung mit verschiedenen dynamischen Methodenuntersucht. Ziel ist die Detektion und Charakterisierung einer möglichen dynamischen Kopplung zwischen den beiden Bewegungsformen und damit eine Antwort auf die Frage, ob die hohe ionische Leitfähigkeit in diesen Systemen auf einem besonderen Leitfähigkeitsmechanismus beruht (paddle-wheel mechanism). Aufgrund des fehlenden Dipolmoments leisten die Anionen hier selbst bei hohen Frequenzen keinen Beitrag zur Leitfähigkeit, so dass Leitfähigkeitsmessungen über einen großen Frequenzbereich (von einigen Hertz bis über 10 THz) vorteilhaft zur Untersuchung des zeitlichen Ablaufs des Kationentransports eingesetzt werden können. Die Untersuchung der Anionenreorientierung erfolgt mit Hilfe der quasielastischen Neutronenstreuung, die Aussagen über den zeitlichen und örtlichen Ablauf dieser Bewegung ermöglicht. Im Falle des Natriumorthophosphats und seiner festen Lösungen mit Natriumsulfat ist es sogar möglich, durch Variation der Energie-Auflösung sowohl die Anionenreorientierung als auch die Kationendiffusion experimentell zu verfolgen. Dabei werden im Bereich von Pikosekunden direkte Anzeichen für eine gekoppelte Bewegung von Anionen und Kationen detektiert.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft, Fonds der Chemischen Industrie

Beteiligte Wissenschaftler:

HD Dr. Dirk Wilmer (Leiter), Dr. Harald Feldmann, Univ.-Doz. Dr. Ruep E. Lechner (Hahn-Meitner-Institut, Berlin), Dr. Jerome Combet (Institut Laue-Langevin, Grenoble), PD Dr. H. Koller, Dr. M. Kalwei

Veröffentlichungen:

D. Wilmer, H. Feldmann, R.E. Lechner, Ion dynamics in solid solutions of sodium phosphate and sodium sulfate, Phys. Chem. Chem. Phys. 4 (2002) 3260-3265.

D. Wilmer, H. Feldmann, R.E. Lechner, Anion reorientation in sodium phosphate/sodium sulfate solid solutions, BENSC Experimental Reports 2001,

D. Wilmer, H. Koller, M. Kalwei, Ch. Beck, Reorientation of hydroxoborate anions in sodium tetrahydroxoborate-sodalite, SINQ Experimental Report, 2001.

D. Wilmer, J. Combet, Sodium ion hopping in solid solutions of sodium ortho-phosphate and sodium sulfate,  ILL Experimental Report 7-07-155 (2001).

D. Wilmer, H. Feldmann, J. Combet, R.E. Lechner, Ion Conducting Rotor Phases - New Insights from Quasielastic Neutron Scattering,  Physica B 301 (2001) 99-104.