Wasser, Eis und Zeolithe

Seit der Anfertigung meiner Staatsexamensarbeit im Jahr 2001 bin ich mit Unterbrechungen in der Arbeitsgruppe Prof. Dr. Franz Fujara am Institut für Festkörperphysik der TU Darmstadt wissenschaftlich tätig. Einen der Schwerpunkte dieser Arbeitsgruppe bildet die Untersuchung der Wasserdynamik mittels Methoden der magnetischen Kernspinresonanz (NMR). Auf diesem Gebiet habe ich zwischen 2005 und 2012 parallel zur Tätigkeit als Gymnasiallehrer meine Doktorarbeit angefertigt.

In meiner Staatsexamensarbeit mit dem Titel Strukturbestimmung von hochdruckerzeugten Eisphasen habe ich verschiedene kristalline und amorphe Eisphasen druckinduziert hergestellt und mittels Röntgenstrukturbestimmung untersucht. Mit einer Hochdruckpresse wurden Eisproben in großvolumigen, uniaxialen Stempelzellen bei unterschiedlichen Temperaturen erzeugt. Die anschließende Strukturbestimmung erfolgte mit Hilfe eines Röntgenpulverdiffraktometers am Fachgebiet Strukturforschung des Instituts für Materialwissenschaft der TU Darmstadt. Neben gewöhnlichem Eis Ih konnten die Eisphasen II, III/IX, V und XII nachgewiesen werden.

In der Arbeit findet sich auf S. 22 leider ein Fehler hinsichtlich der Funktionsweise des Schlittschuhlaufens. Die Tatsache, dass Schlittschuhe leicht über das Eis gleiten, liegt nicht wesentlich im Schmelzen des Eises in Folge des Drucks begründet! Siehe dazu auch diese Abschätzung sowie hier die korrekte Erklärung des Phänomens Schlittschuhfahren.

In meiner Doktorarbeit habe ich Die Dynamik von Wasser in Zeolithen untersucht. Zeolithe sind Alumosilikate: Aluminium- und Siliziumatome sind über Sauerstoffatome tetraedrisch miteinander verbunden. Die entstehende Struktur weist miteinander verbundene Hohlräume auf, in denen sich Gastmoleküle wie Wasser einlagern können. Die Wassermoleküle werden vorzugsweise nahe der Kationen adsorbiert, die innerhalb des Alumosilikatgerüsts für den Ladungsausgleich sorgen. Zeolithe kommen als Mineral in der Natur vor, werden aber für industrielle Anwendungen meist synthetisiert. Ein jeder hatte sie in mikrokristalliner Form bereits vor Augen, denn sie bilden in ihrer Funktion als Wasserenthärter einen Hauptbestandteil von Waschpulver.

Mittels statischer Gradienten-NMR habe ich die intrakristalline Diffusion der Wassermoleküle für verschiedene Zeolithstrukturen temperaturabhängig gemessen. In meiner Arbeit zeige ich, dass diese Methode im Vergleich zur weitaus stärker verbreiteten gepulsten Gradienten-NMR wesentlich besser für Diffusionsmessungen in kleinen Kristalliten geeignet ist.

Weiterhin habe ich in meiner Arbeit durch verschiedene Methoden der Deuteronen-NMR die lokale Dynamik der Wassermoleküle in den Superkäfigen von NaY-Zeolithen untersucht. Mittels der Deuteronen-NMR wird die Reorientierung der Wassermoleküle gemessen. Als Ergebnis dieser Messungen kann man festhalten, dass Tetraedersprünge einen wesentlichen Bewegungsprozess der Wassermoleküle darstellen. Gleichzeitig deutet eine breite Verteilung der Korrelationszeiten insbesondere bei geringen Wasserbeladungen darauf hin, dass möglicherweise ein weiterer, schneller Bewegungsprozess eine Rolle spielt.

Veröffentlichungen