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Alt 12.07.2009, 14:11   #1
Zeitungsjunge
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RSS-Feed Video der Woche #14: Seltsames vom Salz

Dass im Nano-Maßstab viele eigentlich vertraute Dinge plötzlich völlig anders sind, daran haben wir uns inzwischen gewöhnt. Trotzdem warten auf der Mikro- und Nanometerskala noch viele echte Überraschungen auf ihre Entdeckung. Die neueste kommt von einem uns eigentlich sehr vertrauen Stoff, dem Salz.

Kochsalz, Natriumchlorid, ist ein spröder kristalliner Feststoff, dem gelegentlich magische Fähigkeiten bei der Beseitigung langlebiger strahlender Abfälle nachgesagt werden. Die großen Steinsalzvorkommen, die an vielen Orten der Welt in dicken Schichten herumliegen, verhalten sich allerdings plastisch wie Knetmasse und steigen über geologische Zeiträume in großen Blasen Richtung Erdoberfläche.

Ein ähnliches Spielchen treibt Salz allerdings auch auf wesentlich kleineren Skalen. Im Nanometerbereich nämlich zieht der Stoff Fäden wie Honig am Löffel. Das Phänomen ist – zusammen mit eindrucksvollen Filmaufnahmen – in der aktuellen Ausgabe von Nano Letters publiziert worden. Wie das ganze vonstatten geht ist nicht geklärt, der Festkörper Salz scheint unter bestimmten Bedingungen praktisch frei zu fließen. Sicher scheint nur: Eine Flüssigkeit im klassischen Sinne ist nicht involviert.



Das wäre jedenfalls die erste Vermutung: Salz ist hygroskopisch, es zieht Wasser aus der Luft an, das sich auf dem Festkörper anlagert und eine dünne Schicht an der Oberfläche bildet. Zwischen der Spitze eines Mikromanipulators und einem Salzkristall kann sich Wasser sammeln und eine Flüssigkeitsbrücke bilden, genau wie im großen Maßstab. Allerdings zeigen die Messungen hier keine Abhängigkeit des Verhaltens von der Luftfeuchtigkeit, was gegen Kondenswasser spricht


nl9004805_si_002</p> Im Film sieht man auch deutlich, dass es sich wohl um einen Festkörper handelt. Die Salz-Stange hat keine konkaven Außenseiten wie ein Flüssigkeitsmeniskus, sondern die gerade, regelmäßig gestufte Oberfläche eines Kristalls. Ganz offensichtlich fließt aber zusätzliches Material zu und ab, denn beim Strecken und Komprimieren ändert sich der Durchmesser nicht (was man für ein elastisches Material erwarten würde – ein gedehntes Gummiband wird dünner).

Die ganze Angelegenheit ist also ein bisschen mysteriös. Es ist zwar bekannt, dass Atome im Salz sich entlang von Defekten im Kristallgitter bewegen können, allerdings sind solche Defekte in der wachsenden Salz-Stange nicht sichtbar. Die Autoren vermuten, dass sicht die Ionen des Salzes zu schnell bewegen und die Defekte deswegen zu kurzlebig sind, um aufgelöst zu werden.

Wandernde Defekte
Zuerst einmal muss man natürlich erklären, weshalb die Ionen bei der Dehnung der Struktur kontinuierlich nachfließen. Macht man das gleiche Spiel mit einem makroskopischen Salzkristall von, sagen wir einem Zentimeter Länge, dann reißen an einem bestimmten Punkt die Kristallkörner, aus denen der Festkörper aufgebaut ist, auseinander und ein Riss pflanzt sich fort, bis das Material zerbrochen ist.

Im Nanometerbereich geschieht allerdings etwas anderes: Irgendwo in der Struktur werden zwei Kristallkörner voneinander getrennt. Dabei entsteht zusätzlich freie Oberfläche, und genau wie bei Flüssigkeiten steigt bei Festkörpern dadurch die Oberflächenenergie an.
Flüssigkeiten minimieren die Oberfläche sofort durch Verformung, Festkörper können das aber normalerweise nicht.

Im Nanomaßstab geht das aber schon, denn an den Korngrenzen in der Nähe des neuen Defektes sind die Atome besonders mobil und lagern sich um, so dass die Energie minimiert wird. Dadurch bewegt sich der Defekt im Kristall von der potentiellen Bruchzone weg. Die Crux scheint zu sein, dass in diesem Maßstab die bei der Dehnung entstehenden Defekte schneller wegtransportiert werden als sich Risse im Material ausbreiten können.

Eine besondere Rolle könnte hier elementares Natrium spielen, das die Forscher in der Salzstruktur nachgewiesen haben. Die Neutralen Atome scheinen beweglicher zu sein als die Ionen und reichern sich deswegen in der Dehnungszone an: Der Bereich ist an Chlorid verarmt. Welche Rolle die Bestrahlung mit Elektronen dabei spielt, ist allerdings noch völlig offen. Nachgewiesen ist nur, dass Salz dadurch verformbarer wird, möglicherweise weil die Kristallkörner kleiner sind, eventuell aber auch weil mit den Elektronen besagtes Natrium entsteht.

Ebenso ungeklärt ist, welche Rolle die zweifellos im Salz vorhandenen Spuren von Wasser spielen. Es ist bekannt, dass Wasser selbst in kleinen Mengen Salz wesentlich plastischer macht. Hier wirft das Paper von Moore et al. wesentlich mehr Fragen auf als es beantwortet. Wahrscheinlich sind beim seltsamen Verhalten des Salzes mehrere unterschiedliche Effekte im Spiel, die man erst einmal mühselig auseinanderfummeln muss, bevor man sich ein endgültiges Urteil bildet.

-

Moore, N., Luo, J., Huang, J., Mao, S., & Houston, J. (2009). Superplastic Nanowires Pulled from the Surface of Common Salt Nano Letters, 9 (6), 2295-2299 DOI: 10.1021/nl9004805

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Zeitungsjunge ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 13.07.2009, 03:19   #2
Acolina
Hausdrachen
 
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Registriert seit: 15.01.2002
Ort: just the other side of nowhere
Beiträge: 10.861
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Faszinierend! Was man da so für wunderliche Welten im kaum beachteten Salzstreuer hat ...
__________________
Die freiheitlich-demokratischen Ideale und Werte, die sich jetzt auch im Grundgesetz finden, wurden während der Aufklärung gegen die sich auf Gott und Bibel berufenden Kirchen durchgesetzt. Und weder der Gott Jahwe des Alten Testaments noch der Vater Jesus Christi, noch beide in einer Person, noch Allah vertreten die Werte unseres freiheitlich-demokratischen Staates. Sie müssen sie erst noch erlernen. (Gerd Lüdemann, Theologieprofessor)
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Alt 13.07.2009, 11:36   #3
basti_79
Lebende Moderatoren-Legende
 
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Total abgefahren. Je kleiner man guckt, desto skurriler wird die Welt
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