Nahordnung und Thermodynamik von flüssigen Gallium-Systemen

Flüssigkeiten sind allgegenwärtig in unserem Leben und bilden die Basis für viele Prozesse in Biologie, Industrie und der Produktion von Waren. Eine Gruppe von Flüssigkeiten sind die Schmelzen der metallischen Elemente und ihre Mischungen, auch flüssige Legierungen genannt. Man betrachtet Flüssigkeiten oft als homogen und ohne interne Struktur, aber in vielen Flüssigkeiten wurden Verteilungen der Atome oder Moleküle auf der Nanometer-Skale beobachtet, die stark von der erwarteten zufälligen Verteilung abweichen. Damit widersprechen sie auch den traditionellen Vorstellungen zum Mechanismus der flüssig-fest Erstarrungsumwandlung. Flüssige Legierungen mit dem Element Gallium können Gefrierpunkte unter Raumtemperatur aufweisen und dabei bis zu Temperaturen von 1500 C stabil bleiben. Sie sind attraktiv als alternative Wärmeübertragungsmedien in Kraftwerken, als Batterie-Elektroden oder in der Mikrofluidik sowie anderen neu entwickelten Technologien. Die Wechselwirkung der Atome in diesen flüssigen Legierungen wurde kaum untersucht, ist jedoch unverzichtbar für ein besseres Verständnis ihrer Eigenschaften und für die Entwicklung der nächsten Generation von flüssigen Legierungen mit verbesserten Eigenschaften. In diesem Projekt werde ich untersuchen wie Atome in flüssigen Gallium-Legierungen wechselwirken, welche lokalen Anordnungen sich ausbilden und wie sich diese auf die makroskopischen Eigenschaften auswirken. Drei Systeme mit zunehmender Komplexität das Gallium-Indium, das Gallium-Iod und das Gallium-Indium-Zinn System werden mit Röntgen- und Neutronen-Beugungsmethoden untersucht. Die erhaltenen Daten werden mit modernen, computerbasierten Algorithmen zur Strukturanalyse ausgewertet, wie der Empirical Potential Structure Refinement Methode oder dem reverse-Monte-Carlo Ansatz. Durch Messungen von Dampfdruck, Viskosität und dem thermischen Verhalten werden diese Daten vervollständigt. Nach dem ein besseres Verständnis dieser drei Systeme erlangt wurde, wird auf Basis von Literaturdaten ein Modell erstellt um die Verbindung zwischen den Eigenschaften auf der atomaren und der makroskopischen Skala durch allgemeingültige Prinzipien zu beschreiben. Dies hat das Potential die Entwicklung von verbesserten Legierungen für neue Anwendungen durch Vorhersagen zu beschleunigen. Diese Arbeiten werde ich in der Gruppe von Prof. Salzmann am University College London durchführen, der ein führender Experte in der Strukturanalyse und der Modellierung von Flüssigkeiten ist. Seine Expertise werde ich durch mein Wissen über der Chemie und Physik von Metallen und intermetallischen Phasen komplementieren. In der Rückkehrphase an der Universität Wien werde ich durch mein neu erworbenes Wissen die Methoden in der Gruppe von Prof. Hans Flandorfer erweitern und dazu beitragen die Entwicklung dieses zukunftsträchtigen Forschungszweigs in Österreich voranzutreiben.

In diesem Projekt wurde die Nahordnung in flüssigen Ga-In Legierungen und Ga-I Salzschmelzen untersucht. Im binären Ga-In System wurde mittel Röntgen- und Neutronenstreuung ein atomistisches Strukturmodell erstellt. IDaraus ließ sich schließen, dass es im Ga-In System keine bevorzugten Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Spezies gibt, sondern die Nahordnung durch Größenunterschiede dominiert wird. Dies widerspricht theoretischen Studien, die einen Ladungstransfer zwischen Ga und In für die Eigenschaften verantwortlich machen. Im Gallium-Iod system wurde ein neues Glas mit der Zusammensetzung Ga2I3.17 entdeckt welches hohe ionische Leitfähigkeit zeigt. Weiters wurden mehrere flüssige Salzschmelzen untersucht und die Besonderheiten der Halogenbindungen charakterisiert.