Thermodynamik von ordering/clustering in Silikaten

Pyroxene und Feldspäte sind wichtige gesteinsbildende Minerale in vielen metamorphen und magmatischen Gesteinen. In diesen Mischkristall-Systemen spielen sich, abhängig von der Temperatur (T), einerseits Ordnungsprozesse ab, d.h. bei hohen Temperaturen statistisch über die Gitterplätze verteilte Kationen (wie Na, Al, Mg, Ca in Pyroxenen) beginnen sich mit fallender Temperatur auf bestimmten Plätzen zu ordnen, wodurch in der Struktur geordnete Wechsellagen verschiedener Atomsorten entstehen (etwa in Omphazit, einem Vertreter der Pyroxene). Der umgekehrte Mechanismus intrakristallinen Ordnens ist Clustering. Hier reichern sich bei Abkühlung Domänen im Kristall mit gleichartigen Atomen an (etwa Na- und K-reiche Cluster in Alkalifeldspäten), was dann zu Entmischungsphänomenen führt. Ziel des Projektes ist es die Thermodynamik dieser Ordnungs-/Clusterprozesse in Pyroxenen und Feldspäten zu studieren, mit dem Ziel eine umfassende thermodynamische Beschreibung dieser beiden Mineralgruppen zu ermöglichen. Dies ist Grundlage für die Ableitung von sog. Phasenbeziehungen, wie sie in den Geowissenschaften verwendet werden um die Druck- Temperaturgeschichte von Orogenen, wie den Alpen, im Zuge ihrer geologischen Entwicklung zu rekonstruieren. Die relevanten thermodynamischen Größen, die im Verlauf des Projektes bestimmt werden, sind die Enthalpie, sowie die Schwingungs- und Konfigurationsentropie, die mit den beschriebenen Ordnungs- und Clusterprozessen in den beiden Mineralgruppen einhergehen. Die angewandten kalorimetrischen Methoden sind die Tieftemperatur-Kalorimetrie im Bereich von nahe 0 bis 300 K (aus den gemessenen Wärmekapazitäten an ausgewählten und gut charakterisierten Proben dieses Bereichs kann die Schwingungsentropie eruiert werden) und die Differential-Scanning-Kalorimetrie (oberhalb von Raumtemperatur). Die Enthalpie der Ordnungs-/Clusterprozesse wird durch die Infrarot Spektroskopie ermittelt (durch Auswertung der sog. Linienverbreiterung). Ergänzt werden diese Methoden durch quantenmechanische Berechnungen mittels der Dichtefunktionaltheorie.

Pyroxene und Feldspäte sind wichtige gesteinsbildende Minerale in vielen metamorphen und magmatischen Gesteinen. In diesen Mischkristall-Systemen spielen sich, abhängig von der Temperatur (T), einerseits Ordnungsprozesse ab, d.h. bei hohen Temperaturen statistisch über die Gitterplätze verteilte Kationen (wie Na, Al, Mg, Ca in Pyroxenen) beginnen sich mit fallender Temperatur auf bestimmten Plätzen zu ordnen, wodurch in der Struktur geordnete Wechsellagen verschiedener Atomsorten entstehen (etwa in Omphazit, einem Vertreter der Pyroxene). Der umgekehrte Mechanismus intrakristallinen Ordnens ist 'Clustering'. Hier reichern sich bei Abkühlung Domänen im Kristall mit gleichartigen Atomen an (etwa Na- und K-reiche Cluster in Alkalifeldspäten), was dann zu Entmischungsphänomenen führt. Zum ersten mal wurde im Rahmen dieses FWF-Projekts die mit den beschriebenen Ordnungs- und Clusterprozessen einhergehende Schwingungsentropie für diese beiden Mineralgruppen kalorimetrisch bestimmt. Daten aus der Infrarotspektroskopie und Berechnungen mittels Dichtefunktional-Theorie ermöglichten es, die Änderungen der Enthalpien, die mit diesen mikroskopischen Prozessen einhergehen, zu quantifizieren. Das Projekt leistet damit erstens einen Beitrag zur verbesserten thermodynamischen Beschreibung dieser beiden Mineralgruppen. Weiters führen die Projektergebnisse auch zum besseren Verständnis von Ordnungs- und Entmischungsvorgängen in Festkörpern generell, wie zum Beispiel in Legierungen oder anderen Mischkristall-Systemen.