Die Versuche wurden an Barium-Cer-Oxid durchgeführt. Wenn der Kristall feucht wird, wandern Proto-nen in Form von OH-Gruppen an den Sauerstoffatomen (rote Kugeln) entlang, von oben nach unten durch den Kristall.
Empa
Der Empa-Physiker Artur Braun und Qianli Chen, Doktorandin an der ETH Zürich, haben an der "Swiss Spallation Neutron Source" (SiNQ) des Paul Scherrer Instituts (PSI) mit Neutronenstreuungsexperimenten die Beweglichkeit von Protonen im Kristallgitter untersucht. Für Brennstoffzellen ist die Protonenleitfähigkeit entscheidend. Mit diesen positiv geladenen Wasserstoff-Ionen wird die Brennstoffzelle betrieben. Dabei fanden sie heraus, dass die Wanderung der Protonen gemäß dem sogenannten Polaronen-Modell folgt.
Dieses Modell des russischen Physikers und Nobelpreisträgers Lew Davidowitsch Landau von 1933 beschreibt, wie Elektronen sich durch einen dielektrischen Kristall "quetschen" und dabei "störende" Atome aus ihrer Position drücken. Dies vermindert die Geschwindigkeit der Elektronen.
Auch Protonen folgen dem Polaronen-Modell
Polaronen sind also Bewegungswellen im Kristall, deren Ausbreitung sich wie die Flugbahn eines Teilchens beschreiben lässt. Sie können abgelenkt und gespiegelt werden. Das galt bislang nur für Elektronen, unter Festkörperphysikern galten Wasserstoff-Polaronen nicht als valables Erklärungmodell.
In ihren Versuchen mit verschiedenen Hochdruckbedingungen und bei Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius konnten Braun und Chen mit Yttrium-dotierten Barium-Ceroxid- und Barium-Zirkonoxid-Kristallen die Existenz des Proton-Polarons belegen. Im trockenem Zustand sind diese Kristalle nichtleitend, in einer Wasserdampfatmosphäre bilden sich im Inneren der Kristallstruktur dann OH-Gruppen. Freiwerdende Protonen können wellenartig wandern, das Oxid wird ionisch leitend.
Aufschlußreiche Protonen-Sprünge
Bei Temperaturen zwischen 220 und 520 Grad nimmt die Leitfähigkeit genau in dem Maße zu, wie es Modellrechnungen für die Gitterschwingungen des Kristalls vorhersagen. Die Protonen sind also zunächst im Kristallgitter gebunden und beginnen bei Erwärmung im Konzert der Gitterschwingungen durch den Kristall von einer OH-Gruppe zur nächsten zu springen.
Im Versuch unter hohem Druck blieb weniger Platz für die Protonen-Sprünge und die Leitfähigkeit nahm wieder ab. Damit ist laut der Forscher bewiesen, dass das Polaronen-Modell nicht nur für Elektronen, sondern auch für Protonen gilt.
Die Durchleuchtung der Proben geschah an der Neutronenquelle des PSI, die Hochdruckexperimente an den Kristallen wurden zusammen mit Forschern des Instituts für Geowissenschaften der Goethe-Universität in Frankfurt am Main durchgeführt.
Diese neuen Erkenntnisse könnten schon bald wertvolle Hinweise auf die Materialwahl von Brennstoffzellen und Wasserstoffspeichern liefern.