Water properties in confined geometry

Titel in Übersetzung: Wassereigenschaften in begrenzter Geometrie

Maxim Erko

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die vorliegende Dissertation ist eine systematische Darstellung der Einflüsse der geometrischen Begrenzung auf die strukturellen Eigenschaften von Wasser bei tiefen Temperaturen. Die bei den Untersuchungen verwendeten mesoporösen Silika-Materialien MCM-41 und SBA-15 sind durch eine periodische Anordnung von zylindrischen Poren auf einem zwei-dimensionalen hexagonalem Gitter gekennzeichnet. Diese Materialien stellen ideale Modelle zur Analyse des Phasenverhaltens von Wasser in Nano-Geometrie dar. Eingeschlossen in sieben verschieden Porengrößen zwischen 2 - 9 nm wurde das Tieftemperaturverhalten von Wasser mittels Streuung von Röntgenstrahlung, Neutronen und Licht (Raman-Streuung) untersucht. Die außerordentliche Komplexität des untersuchten Systems zeigte sich vor allem durch die inhomogene Verteilung von Wassermolekülen innerhalb des Porenvolumens. Es konnte gezeigt werden, dass in hydrophilen Mesoporen mindestens zwei räumlich abgegrenzte Wasserphasen existieren. Dabei zeigt die nicht frierende Wasserschicht an der Porenwand deutliche strukturelle Unterschiede zum restlichen Wasser in der Porenmitte auf. Beim Abkühlen ist der Aufbau einer tetraedrischen Bindungsstruktur aus Wasserstoffbrücken nur für den Wasseranteil in der Porenmitte zu beobachten. Es konnte gezeigt werden, dass dieser Effekt zu deutlich unterschiedlichen Werten für die Dichte für die jeweilige Wasserphase führt. Darüber hinaus konnte ein systematischer Zusammenhang zwischen der Porengröße und der Struktur des Wassers in der Porenmitte gezeigt werden. Die temperaturbedingte Dichteänderung des Porenwassers ist durch Minimalwerte genau an den Frier- und Schmelztemperaturen gekennzeichnet, welche wiederum von der gewählten Porengröße abhängen. Diese Eigenschaft wird durch den Übergang zwischen dem anomalen Temperaturverhalten der Dichte für das flüssige Wasser und dem normalen für das Eis interpretiert. Die temperaturbedingte Porengitterverzerrung wurde durch einen neuen Ansatz beschrieben. Dieser beinhaltet die Einführung des negativen Laplace-Drucks als die Druckdifferenz zwischen der flüssigen und der festen Phase in teilweise gefrorenen Mesoporen. Der Einfluss von Wasser auf die mesoporöse Struktur der benutzten Materialien wurde mit Hilfe eines neu entwickelten Laborinstruments untersucht. Diese Apparatur erlaubt in situ Langzeit-Untersuchungen von Phasenübergängen mittels Röntgen-Kleinwinkelstreuung. Im Laufe wiederholter Sorptionszyklen von Wasser in SBA-15 wurden deutliche Veränderungen des porösen Materials offenbart. Anhand der Streudaten konnte die irreversible Modifikation der Porenmatrix durch die Veränderung der Porenoberfläche, sowie durch das Zurückbleiben von Wasser in teilweise kollabierten Porenbereichen erklärt werden.
Titel in ÜbersetzungWassereigenschaften in begrenzter Geometrie
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Paris, Oskar, Beurteiler A (intern)
  • Stangl, Julian, Beurteiler B (extern), Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2012

Bibliographische Notiz

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