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Ein Schwamm ist elastischer als ein Radiergummi, verformt man ihn, bewegt er sich in seine Ausgangsform zurück. Für die Entwicklung neuer Materialien ist dieses Phänomen oft entscheidend. Physiker der Universität des Saarlandes konnten jetzt erstmals experimentell zeigen, dass sich die Elastizität eines Stoffes stark verringert, wenn er in Poren mit einer Größe von wenigen Millionstel Millimetern eingeschlossen wird. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je kleiner der Durchmesser der Poren ist. Bisher war dies nur theoretisch vorhergesagt.
Die Studie, für die sehr genaue Ultraschallmessungen erforderlich waren, wurde nun in der renommierten Fachzeitschrift „The Journal of Physical Chemistry Letters“ veröffentlicht.
In der Medizin, den Ingenieurwissenschaften, im Bauwesen oder auch im Sport ist die Elastizität eine physikalische Größe, die für den Einsatz und die jeweilige Funktion eines Materials genau angepasst werden muss. „Sie spielt aber auch eine Rolle bei der Frage, in welchem unterirdischen Gestein Kohlendioxid am besten gespeichert werden kann. Denn poröse Materialien verändern sich, wenn ihre winzigen Hohlräume mit gasförmigen oder auch flüssigen Substanzen gefüllt und dabei ihre Porenwände deformiert werden", erklärt der promovierte Physiker Klaus Schappert, der gemeinsam mit Rolf Pelster, Professor für Experimentalphysik der Universität des Saarlandes, die Studie durchgeführt hat.
Was die Elastizität von Nanostrukturen beeinflusst und wie sich diese auf die Eigenschaften von Materialien auswirkt, untersuchen Experimentalphysiker und theoretische Physiker seit einigen Jahren. Simulationen und Berechnungen von Theoretikern aus den USA deuteten bereits darauf hin, dass sich poröse Materialien durch eindringende Flüssigkeiten oder Gase nicht nur deformieren können. Sie verändern auch ihr Elastizitätsverhalten, wenn die jeweiligen Substanzen in die Poren eindringen. „Wir konnten nun erstmals experimentell zeigen, dass je kleiner die Poren im Material sind, desto mehr Kraft aufgewendet werden muss, um diese zu verformen“, sagt Klaus Schappert.
Für ihre Messungen verwendeten die Saarbrücker Physiker zum einen Quarzglas, das unterschiedliche Porenradien im winzigen Maßstab von 1,8 und 12,8 Nanometer aufwies. Um Störfaktoren bei den sehr empfindlichen Ultraschallmessungen auszuschließen, musste das Material in einer möglichst homogenen Struktur vorliegen. Die Poren der Materialproben wurden dann bei minus 187 Grad Celsius mit dem flüssigen Edelgas Argon aufgefüllt. „Obwohl Argon nur eine schwache Wechselwirkung mit der Porenwand aufweist, konnten wir zeigen, dass die Elastizität des eingefüllten Materials bei Nanoporen mit einem Durchmesser von 12,8 Nanometer doppelt so hoch ist wie bei den kleineren Poren mit 1,8 Nanometer Radius“, sagt Schappert. Entsprechend müsse bei besonders winzigen Porenstrukturen mehr Kraft aufgewendet werden, um das Material zu verformen.
Die Saarbrücker Experimentalphysiker wollen nun weiter untersuchen, wie sich Materialsysteme verhalten, in denen es noch stärkere Wechselwirkungen zwischen festen und flüssigen oder festen und gasförmigen Stoffen gibt. „Dies ist nicht nur für die Kohlendioxidspeicherung entscheidend, sondern spielt überall eine Rolle, wo flüssige oder gasförmige Substanzen in die winzigen Hohlräume eines Materials hineinfließen und dort vorübergehend oder dauerhaft gespeichert werden sollen. Dabei kann es sich beispielsweise auch um Anlagen handeln, mit denen Schadstoffe absorbiert werden oder bestimmte Stoffe herausgefiltert werden sollen“, erläutert Physiker Klaus Schappert.
Dr. Klaus Schappert
Lehrstuhl für Experimentalphysik und Didaktik der Physik
Tel.: 0681 302 3032
Mail: k.schappert@mx.uni-saarland.de
Prof. Dr. Rolf Pelster
Lehrstuhl für Experimentalphysik und Didaktik der Physik
Tel.: 0681 302-2216
Mail: rolf.pelster@mx.uni-saarland.de
Klaus Schappert and Rolf Pelster, Experimental Evidence for the Pore Size Dependence of Elastic Properties in a Liquid Adsorbate Confined to Nanopores, J. Phys. Chem. Lett. 17, 1640–1646 (2026), https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c03903
Physiker Klaus Schappert konnte experimentell zeigen, wie sich die Elastizität eines Stoffes im Nano ...
Source: privat
Copyright: Universität des Saarlandes
Rolf Pelster, Professor für Experimentalphysik der Universität des Saarlandes
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Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
Electrical engineering, Energy, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
Physiker Klaus Schappert konnte experimentell zeigen, wie sich die Elastizität eines Stoffes im Nano ...
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Rolf Pelster, Professor für Experimentalphysik der Universität des Saarlandes
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