Brennstoffzellen oder elektrochemische Batterien enthalten viskose Flüssigkeiten. Mithilfe einer am Max-Planck-Institut für Polymerforschung neu entwickelten Messmethode sollen diese nun genauer untersucht und weiter entwickelt werden können. Das Verfahren basiert auf Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop und ist in der Lage bei verschiedenen Flüssigkeiten, atomare Strukturen an Oberflächen im Detail abzubilden.
Die Abbildung atomarer Strukturen an Oberflächen sei bislang ausschließlich in dünnflüssigen Lösungen wie Wasser gelungen. Zähere Flüssigkeiten wie zum Beispiel Öle oder Elektrolyte erschweren diese Messungen erheblich, erklären die Experten des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P). Stefan Weber, Physiker am MPI-P, ist es nun gelungen, in solch einer zähflüssigen Umgebung die Struktur von Oberflächenatomen abzubilden, wie das MPI-P berichtet. Und das mit erstaunlich geringem Rauschen und fast ohne Bildstörungen. Die Flüssigkeit sei sogar Dreißigmal so zähflüssig wie Wasser gewesen. Zusammen mit Forschern des University College Dublin (Irland) hat Weber den Einfluss der Zähigkeit, auch Viskosität genannt, auf das Rauschen der Messungen untersucht. Die Ergebnisse hat der Mainzer Physiker vor kurzem zusammen mit den irischen Wissenschaftlern in der Fachzeitschrift Nanotechnology veröffentlicht.
Atomare Strukturen von Oberflächen sichtbar machen
Rasterkraftmikroskopie ist eine etablierte Methode, um Bilder von atomaren Strukturen an Oberflächen zu erzeugen, erklären die Wissenschaftler des MPI-P. Dafür taste eine Messnadel, an ihrer Spitze selbst nicht mehr als einige Atome breit, die Oberfläche einer Probe ab. Die Nadel sei Teil eines elastischen Federarms, auch Cantilever genannt, der Kräfte registriert, die zwischen den Oberflächenatomen und den Atomen an der Nadelspitze wirken. Um höchste Auflösungen zu erreichen, lasse man die Nadel schwingen. Zähere Flüssigkeiten als Wasser dämpfen laut Aussage der Forscher diese Schwingungen. Daraus resultiere ein Rauschen, das das Messen der feinen Oberflächenkräfte erschwere. Stefan Weber experimentierte mit einem Glyzerin-Wasser-Gemisch auf einer Graphitoberfläche, um den Einfluss des Rauschens systematisch zu ermitteln. Das Bild sei erstaunlich klar und beinahe rauschfrei gewesen, erinnert sich Weber. Unter anderem habe sich herausgestellt, dass es entscheidend war, die Schwingungsamplitude des Cantilevers kleiner einzustellen als den Durchmesser der Moleküle der Flüssigkeit. Mit diesen Erkenntnissen könnten viele offene Fragen der Oberflächenphysik neu aufgerollt werden, die unter anderem bei der Entwicklung von effektiveren Brennstoffzellen und die Batterietechnik hilfreich sind.