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DEUTSCHE BUNSEN-GESELLSCHAFT
temtechnik und die dafür notwendigen Methoden stellen einen
breiten Arbeitsbereich dar. Das Verständnis für Vorgänge in
Materialien für elektrochemische Energietechnologien gewinnt
derzeit angesichts der sich verschärfenden Energiediskussion
erneut und schnell an Bedeutung. Faszinierend ist die Frage,
ob elektrochemische Mechanismen erfolgreich in der Informationsspeicherung
eingesetzt werden können, die bisher
weitestgehend allein auf physikalischen Effekten beruhte. Unverändert
spielt die Katalyse und die damit verknüpfte Oberfl ächenchemie
oder „Surface Science“ eine starke Rolle.
Die Plenarvorträge auf der Hauptversammlung in Köln bilden
drei besonders dynamische Arbeitsgebiete der physikalischchemischen
Materialforschung ab: Joachim Maier (Stuttgart)
vertritt die Festkörperionik als Grundlage für festkörperelektrochemische
Entwicklungen, Clement Sanchez (Paris) vertritt
das rasch wachsende Gebiet der organisch/anorganischen
Hybridmaterialien und Harry L. Tuller (Cambridge, USA) ist ein
Experte auf dem Gebiet keramischer Funktionsmaterialien.
In den Fortschrittsberichten berichtet Klaus Funke über die
Grundlagen der atomaren Bewegung in ungeordneten Systemen,
Klaus-Dieter Kreuer über neue Materialien und Prozesse
in Polymermembranen, Hans-Dieter Wiemhöfer über die elektronischen
Transporteigenschaften fester Elektrolyte, Monika
Backhaus-Ricoult über Reaktionen an Elektroden in Hochtemperaturbrennstoffzellen
und Hans-Joachim Freund über die
Struktur und Reaktivität von Oberfl ächen auf der Nanometerskala.
Timo Jacob wird über die Simulation von Festkörpern
auf verschiedenen Skalen berichten.
In den nachfolgenden Abschnitten sind einige Themen der
physikalisch-chemischen Materialforschung anhand aktueller
Beispiele illustriert. Die Einteilung orientiert sich in Abschnitt
2 an den beiden physikalisch-chemischen Kernaufgaben: Modellbildung
(mit den dazu gehörenden systematischen Messungen)
und Methodenentwicklung – sei sie experimenteller
oder theoretischer Natur.
2.1. KONZEPTE UND MODELLE
Aus den zahlreichen Beispielen greifen wir willkürlich zwei
heraus, die stellvertretend für andere stehen. Beginnen wir
mit dem Konzept der elektrochemischen Doppelschicht und
seiner Bedeutung [1]. Ausgehend vom einfachen Bild einer
starren Doppelschicht an den Grenzfl ächen von Systemen mit
mobilen Ladungsträgern hat sich unsere Vorstellung der Struktur
und der Eigenschaften von Doppelschichten kontinuierlich
weiter entwickelt. In den 1950er Jahren wurde das Konzept
der Doppelschicht erstmals auf Ionenkristalle übertragen [2],
und in den 1980er Jahren begannen Joachim Maier [3] und
andere Physikochemiker damit, auf der Basis des Doppelschichtmodells
die Leitfähigkeit von Randschichten in festen
Ionenleitern zu deuten (Abb. 1). Ausgehend von diesen Pionierarbeiten
haben sich heute eine Reihe von span nenden Problemen
und Arbeitsgebieten ergeben, die sich oft immer wieder
auf die grundlegende Frage nach der Struktur elektrisch geladener
Grenzfl ächen oder grenz fl ächennaher Regionen reduzieren
lassen (Abb. 2). Das Gebiet ist auch für Über raschungen
gut: So berichten Garcia-Bariocanal et al. 2008 von dünnen
Festelektrolytschichten (1 nm dünne Schichten aus yttrium-
ASPEKTE
stabilisiertem ZrO 2 zwischen isolierenden SrTiO 3 -Schichten),
die eine um acht Größenordnungen höhere Leitfähigkeit als
das gleiche Material in kompakter Form haben sollen – den
Autoren nach in Form einer „colossal interfacial conductivity“,
verursacht durch eine mechanische Verspannung der Elektrolytschicht
[4]. Korte et al. [5] untersuchen ähnliche Filme
und fi nden ähnlich ausgeprägte Effekte nicht (Abb. 3 und 4).
Welche Ergebnisse Bestand haben und ob sich eventuell eine
erhöhte elektronische Leitfähigkeit in den Daten widerspiegelt
- dies gehört zu den aktuell besonders spannenden Fragen der
physikalisch-chemischen Materialforschung.
Abb. 1: Die Thermodynamik von Grenzflächen und die Beschreibung von
Punktdefektgleichgewichten an Grenzflächen ist die Grundlage des Verständnisses
von randschichtdominierten Ionenleitern. Dargestellt sind links
die elektrochemischen Potentiale elektronischer und ionischer Ladungsträger
an einer Grenzfläche, rechts sind die resultierenden Konzentrationsprofile
von Defekten dargestellt (Bild bereit gestellt von J. Maier, Stuttgart).
Abb. 2: Veranschaulichung des Einflusses von Raumladungszonen mit einer
Debye-Länge λ auf die Leitfähigkeit von Ionen leitenden Schichten verschiedener
Dicke L – Der Übergang zu vollständig Grenzflächenkontrollierten
Phasen (von oben nach unten) kann nicht mehr allein durch das klassische
Randschichtbild beschrieben werden; es entstehen Phasen mit gänzlich anderen
Eigenschaften (Bild bereit gestellt von J. Maier, Stuttgart).
Sicher eines der fruchtbarsten und in der Materialforschung
einfl ussreichsten Konzepte der Physikalischen Festkörperchemie
ist die „Theorie der geordneten Mischphasen“, die in den
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