Status und Perspektiven - SNI-Portal
Status und Perspektiven - SNI-Portal
Status und Perspektiven - SNI-Portal
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
Polymerdynamik in der Schmelze<br />
Im zweiten Beispiel geht es um die Bewegung von<br />
Makromolekülen, genauer um die Polymerdynamik<br />
in der Schmelze. Von Theoretikern wurde eine<br />
schlangenartige Bewegung langer Kettenmoleküle, die<br />
so genannte Reptation, vorhergesagt. Zugr<strong>und</strong>e liegt<br />
diesem Modell die Idee, dass eine einzelne Kette in<br />
ihrer lateralen Bewegung durch topologische Wechselwirkung<br />
mit den Nachbarketten stark eingeschränkt ist.<br />
Diese Einschränkung wird in dem Reptationsmodell<br />
durch eine virtuelle Röhre repräsentiert, die der Kontur<br />
der beobachteten Kette folgt. Diese kann dann nur noch<br />
ihrer eigenen Kontur folgend entlang des Röhrenprofi ls<br />
diff<strong>und</strong>ieren. Diese sehr langsamen Bewegungen kann<br />
man ideal mit der Neutronenspinecho-Spektroskopie<br />
verfolgen, die direkt die Zeitentwicklung der Korrelationen<br />
misst. Für große Molekulargewichte wird De Gennes<br />
Reptationsmodell bestätigt (Abb. 2.18, oben). Durch<br />
Einsatz neuer, höchstaufl ösender Instrumente konnten<br />
Abweichungen von diesem Modell für kleine Molekulargewichte<br />
nachgewiesen werden. Wie Abb. 2.18<br />
S(Q,t) / S(Q)<br />
1,00<br />
0,75<br />
0,50<br />
0,25<br />
M w<br />
= 190 kg/mol<br />
0,00<br />
0 50 100 150<br />
1,00<br />
0,75<br />
0,50<br />
0,25<br />
M w<br />
= 12.4 kg/mol<br />
Zeit / ns<br />
0,00<br />
0 50 100 150<br />
Zeit / ns<br />
Abb. 2.18. Neutronenspinechodaten von Polyethylen<br />
bei 509 K.<br />
Oben: <br />
= 190 kg/mol, die Linien zeigen den Reptationsfit.<br />
Unten: <br />
= 12,4 kg/mol, die gestrichelten Linien zeigen<br />
Erwartung im Rahmen des Reptationsmodells, bei den<br />
durchgezogenen Linien sind die Konturlängenfluktuationen<br />
berücksichtigt.<br />
(unten) zeigt, ist dort das Plateau bei großen Zeiten weniger<br />
stark ausgeprägt. Der weitere Abfall deutet auf einen<br />
zusätzlichen Mechanismus, sog. Konturlängenfl uktuationen,<br />
hin. Das bedeutet, dass die Fluktuationen der<br />
Kettenenden mit wachsender Zeit zu einer Abnahme<br />
der effektiven Röhrenlänge <strong>und</strong> damit der topologischen<br />
Einschränkung führen. Die durchgezogenen Linien<br />
in Abb. 2.18 (unten) repräsentieren eine Anpassungsrechnung,<br />
deren Basis zwar das Reptationsmodell ist<br />
(gestrichelte Linien im Bild), die aber auch die Zeitabhängigkeit<br />
der Röhrenlänge berücksichtigt.<br />
Komplexe magnetische Phasen<br />
Die Wechselwirkungen zwischen magnetischen Momenten<br />
in kondensierter Materie führen zu einer<br />
Vielzahl unterschiedlichster magnetischer Strukturen.<br />
Neben einfacher ferromagnetischer Ausrichtung kann<br />
es bei antiferromagnetischer Wechselwirkung zu komplexen<br />
Anordnungen <strong>und</strong> Ausrichtungen der Momente<br />
kommen. Durch Variation der Temperatur, des externen<br />
Magnetfeldes <strong>und</strong> anderer Parameter kann man die<br />
magnetischen Ordnungszustände oft leicht modifi zieren.<br />
Neutronenstreuung ist die Methode der Wahl zur<br />
Untersuchung dieser magnetischen Phasen.<br />
„Frustrierte Magnete“<br />
Ein einfaches Beispiel der Ausbildung einer komplexen<br />
magnetischen Struktur ist das antiferromagnetische<br />
Dreiecksgitter. Platziert man auf zwei Ecken eines<br />
gleichschenkligen Dreiecks zwei Spins antiparallel,<br />
kann ein dritter Spin auf dem noch freien Platz nicht<br />
mehr gleichzeitig antiparallel zu den beiden anderen<br />
stehen. Diese sog. Frustration kann teilweise umgangen<br />
werden, wenn die Spinmomente in der Ebene bzw. im<br />
Raum beliebig einstellbar sind. Als Kompromiss bildet<br />
sich dann eine 120°-Struktur der Momentorientierung<br />
aus. Abb. 2.19 zeigt dies am Beispiel des Antiferromagneten<br />
CsMnBr 3<br />
, dessen Mn-Ionen das Dreiecksgitter in<br />
der hexagonalen Kristallebene bilden. Es verbleibt ein<br />
zweifach entarteter Gr<strong>und</strong>zustand: energetisch gesehen<br />
spielt es nämlich keine Rolle, ob ein benachbarter Spin<br />
nach links oder nach rechts um 120° gedreht ist. Sobald<br />
sich jedoch diese Drehrichtung (= Chiralität) ausgebildet<br />
hat, sind sämtliche Momentorientierungen im<br />
Kristall festgelegt. Unterhalb der antiferromagnetischen<br />
Ordnungstemperatur T N<br />
bilden sich an verschiedenen<br />
Stellen im Festkörper mehr oder weniger zufällig Bereiche<br />
unterschiedlicher Chiralität aus. Mit Hilfe polarisierter<br />
Neutronen können die relativen Anteile dieser<br />
Domänen im Kristall sichtbar gemacht <strong>und</strong> untersucht<br />
werden.<br />
Chiralen Domänen auf der Spur<br />
Die Größe <strong>und</strong> Verteilung der chiralen Domänen<br />
hängen vom Kristall, der Abkühlvorgeschichte <strong>und</strong> von<br />
externen Parametern, wie Torsion der Probe <strong>und</strong> elektrischen<br />
Feldern, ab. Für den Fall ungleicher Domänenpopulationen<br />
ergibt sich ein Unterschied in der Streuintensität,<br />
∆ I= I + - I - , der magnetischen Bragg-Reflexe für<br />
verschieden polarisierte Neutronen. So sind Neutronen<br />
mit einer Polarisation parallel zu einem magnetischen<br />
Führungsfeld, I + , sensitiv auf eine Sorte chiraler Domänen,<br />
während die antiparallel ausgerichteten Neutronen,<br />
I - , die Domänen mit entgegengesetztem Drehsinn detektieren.<br />
Ein Beispiel für einen mit Hilfe polarisierter<br />
Neutronen gemessenen Unterschied in der Domänenpopulation<br />
von CsMnBr 3<br />
zeigt das Inset in Abb. 2.20 für<br />
den (1/3 1/3 1)-Reflex.<br />
Vorhersagen bestätigt: „chirale<br />
Universalität“<br />
Eine wichtige Eigenschaft von Phasenübergängen ist<br />
deren Universalität. Dies bedeutet, dass das kritische<br />
Verhalten physikalisch unterschiedlichster Systeme<br />
nur von wenigen Parametern, wie der Dimension <strong>und</strong><br />
der Zahl der Freiheitsgrade des Ordnungsparameters,<br />
abhängt. Das kritische Verhalten wird von einem Satz<br />
sogenannter kritischer Exponenten charakterisiert. Für<br />
die oben beschriebenen Antiferromagneten mit chiraler<br />
Ordnung wurden neue Universalitätsklassen vorhergesagt.<br />
Die konventionellen kritischen Exponenten sind<br />
modifi ziert <strong>und</strong> neue Exponenten, die das Verhalten der<br />
chiralen Ordnung beschreiben, werden vorhergesagt.<br />
So ist der konventionelle kritische Exponent durch<br />
die Temperaturabhängigkeit der Untergittermagnetisierung<br />
gegeben. Experimentell ergibt sich diese aus<br />
der Summe I + + I - , die proportional zu 2 ist, wobei<br />
= (T N<br />
- T)/T N<br />
die reduzierte Temperatur ist. Das<br />
Differenzsignal ∆I ändert sich unterhalb der Ordnungstemperatur<br />
proportional zu 2 mit dem neuen kritischen<br />
Exponenten c<br />
= 0,42 für CsMnBr 3<br />
, was sehr gut mit<br />
den theoretischen Vorhersagen übereinstimmt.<br />
Ebenso können andere physikalische Größen, wie die<br />
chirale Suszeptibilität oberhalb T N<br />
, mit Hilfe der polarisierten<br />
Neutronenstreuung – <strong>und</strong> auch nur mit dieser<br />
– gemessen, die kritischen Exponenten bestimmt <strong>und</strong><br />
mit theoretischen Vorhersagen verglichen werden. Diese<br />
Untersuchungen leisten einen wesentlichen Beitrag zum<br />
besseren Verständnis der f<strong>und</strong>amentalen magnetischen<br />
Wechselwirkungen in kondensierter Materie.<br />
(Intensitätsdifferenz)<br />
5<br />
CsMnBr 3<br />
1<br />
I ~ 0.42 20<br />
I +<br />
I -<br />
10<br />
0<br />
0,32<br />
0,1<br />
0,33 0,34<br />
Q h<br />
0,35<br />
0,001 0,01<br />
<br />
0,1 1<br />
Streuintensität<br />
Abb. 2.20. Temperaturabhängigkeit des<br />
Unterschieds der Domänenpopulation<br />
Δ = + - - mit = ( <br />
– )/ <br />
. Das Inset zeigt die Streuintensitäten<br />
für die beiden Polarisationsrichtungen am<br />
(1/3 1/3 1)-Bragg-Reflex.<br />
Abb. 2.19. Die zwei<br />
unterschiedlichen<br />
chiralen Domänen<br />
in einem antiferromagnetischen<br />
Dreiecksgitter<br />
am Beispiel<br />
von CsMnBr 3<br />
. Die<br />
Drehrichtung der Mn-<br />
Spins in den beiden<br />
Teilbildern ist jeweils<br />
entgegengesetzt.<br />
28 Komplexität: Magnetische Phasen 29