Untersuchung von Grenzflächenstrukturen durch Röntgenstreuung

Ionic Liquids and Aqueous Solutions

Oberflächenempfindliche Röntgenstreuexperimente können eine wichtige Verbindung zwischen der Molekularstruktur von Elektrolyten und ihrer Ionenverteilung auf freien Oberflächen und verborgenen Grenzflächen herstellen. Zeitaufgelöste Experimente ermöglichen es, die Relaxationsdynamik von Anionen und Kationen in der Nähe der Elektrode nach Anlegen eines externen Potentials mit einer Auflösung im Sub-Millisekundenbereich zu verfolgen.
An der freien Flüssigkeitsoberfläche von ionischen Flüssigkeiten, die aus Kationen mit langen aliphatischen Seitenketten bestehen, beobachteten wir oberflächeninduzierte smektische Ordnung. Diese oberflächennahe Struktur existiert über einen weiten Temperaturbereich und erstreckt sich über mehrere Zehntel Nanometer in die Flüssigkeit hinein. Die lamellare Ordnung kann die Dynamik der an die Flüssigphasengrenze angrenzenden Moleküle signifikant beeinflussen, indem sie als Diffusionsbarriere wirkt. Daher wird das Verständnis des Entstehungsmechanismus der beobachteten Grenzflächenstrukturen dazu beitragen, die Leistung bei der unterstützten ionischen Flüssigphasenkatalyse (SILP) zu erhöhen.
Literatur:
P. Reichert, K.S. Kjær, T.B. van Driel, J. Mars, J.W. Ochsmann, D. Pontoni, M. Deutsch, M.M. Nielsen, and M. Mezger; Molecular Scale Structure and Dynamics at an Ionic Liquid/Electrode Interface. Faraday Disc. 206, 141 (2018).
J. Mars, B. Hou, H. Weiss, H. Li, O. Konovalov, S. Festersen, B.M. Murphy, U. Rütt, M. Bier, and M. Mezger; Surface Induced Smectic Order in Ionic Liquids – An X-Ray Reflectivity Study of [C22C1im]+[NTf2]-. Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 2665 (2017).
M. Bier, J. Mars, H. Li, and M. Mezger; Salt-induced microheterogeneities in binary liquid mixtures. Phys. Rev. E. 96, 022603 (2017).

Komplexe Flüssigkeiten im Confinement, untersucht mit dem Röntgen-Oberflächenkraft-Apparat

Dünne Filme weicher Materie mit einer Dicke von mehreren molekularen Längenskalen weisen oft deutlich andere strukturelle und dynamische Eigenschaften auf als die Masse. Kürzlich haben wir in Zusammenarbeit mit der Gruppe von M. Valtiner einen Oberflächenkraftmessapparatur für Röntgenexperimente (X-SFA) entwickelt. Unser neuartiger experimenteller Aufbau ist für in-situ-Untersuchungen von Flüssigkeiten unter Spaltporeneinschluss bei Druckkräften und lateralem Scheren optimiert. Erste Experimente an Flüssigkristallen und komplexen Elektrolyten bestätigen das große Potential dieses experimentellen Ansatzes. Geplante und laufende Forschungsprojekte umfassen Fragen zur Benetzungsdynamik von Tensiden sowie zur Struktur und Dynamik von Polymerschmelzen, Kolloiden und selbstorganisierten Aggregaten in eng beschränkten Geometrien.
Literatur:
H. Weiss, H.-W. Cheng, J. Mars, H. Li, C. Merola, F.U. Renner, V. Honkimäki, M. Valtiner and M. Mezger; Structure and Dynamics of Confined Liquids – Challenges and Perspectives for the X-Ray Surface Force Apparatus. Langmuir, DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b01215 (2019).

Vorschmelze von Eis
Das 1859 von Faraday entdeckte Oberflächenschmelzen von Eis ist einer der bekanntesten grenzflächeninduzierten Phasenübergänge. Die strukturellen und dynamischen Eigenschaften von flüssigem Wasser innerhalb dieser grenzflächeninduzierten Vorschmelzschicht werden jedoch noch immer diskutiert. Wir untersuchen das Grenzflächen-Vorschmelzen in Eis/Ton-Nanokompositen durch hochenergetische Röntgenbeugung und quasi-elastische Neutronenstreuung. Unter Verwendung wohldefinierter und -charakterisierter Eis/Mineralien-Kompositproben schließen unsere Arbeiten die Lücke zwischen Untersuchungen an einkristallinen Modellgrenzflächen und natürlich vorkommenden Böden und Permafrostböden. Signifikante Unterschiede im Wachstum der Vorschmelzschicht und ihrer Mobilität werden für verschiedene Mineralien -  geladenen Vermiculit, ungeladenen Kaolin und hydrophoben Talk - gefunden. Dies deutet darauf hin, dass neben dem Einschluss auch intermolekulare Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen und den Mineraloberflächen eine wichtige Rolle für die Wassermobilität in Eis/Tonmineral-Nanokompositen spielen.
Literatur:
H. Li, M. Bier, J. Mars, H. Weiss, A.-C. Dippel, O. Gutowski, V. Honkimäki, and M. Mezger; Interfacial Premelting of Ice in Nano Composite Materials. Phys. Chem. Chem. Phys. 21, 3734 (2019).
Y. Nagata, T. Hama, E. Backus, M. Mezger, D. Bonn, M. Bonn, and G. Sazaki; The Surface of Ice under Equilibrium and Non-Equilibrium Conditions. Acc. Chem. Res. 52, 1006 (2019).