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 Kristallographie - Projekte
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02.07.2009		  

Universität Kiel

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Kristallographie

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Eine Auswahl von Projektskizzen, welche die Arbeitsrichtungen der AG Kristallographie demonstrieren:


Laufende Projekte:

Abgeschlossene Projekte



 Crystallographic effects on microbial pyrite leaching

Projektleiter: Prof. Dr. W. Depmeier
Förderung: DFG
Laufzeit: seit 2005


Dr. J. Toporski, Dr. A. Mutter, Dr. K. Etzel


The relevance of microbial mineral leaching processes has resulted in a large number of studies by which microbial leaching of a wide variety of minerals by pure and mixed cultures of Bacteria and Archaea were experimentally examined. These lead to good understanding of biogeochemical processes that occur as effect of microbial metabolic activities.

 

The project described here aims to enhance our understanding of effects of parameters such as time, varied metabolism, direct or indirect leaching, and crystallographic orientation on microbial leaching of pyrite surfaces. Systematic assessment of highly characterized surfaces before and after exposure to the microbial cultures will result in quantification of the leaching processes. This will lead us to determine whether varied crystallographic orientation results in varied surface leaching features. The long-term goals of the study are to establish means that allow the controlled manipulation of pyrite and other metal sulfide surfaces.

 

We present issues related to possible effects of crystallographic orientation of pyrite surfaces on the leaching efficacy and resulting leaching surface features as a function of microbial activity. We devise microbial leaching experiments on pyrite surfaces of different orientation, including (100), (111) and (210). The experiments are performed using strains of mesophilic Bacteria and thermophilic Archaea. Six different microbial strains were tested initially, three mesophilic Bacteria (Thiobacillus sphaeroides, Acidithiobacillus ferrooxidans, Thiobacillus prosperus) and three thermophilic Archaea (Sulfolobus metallicus, Metallosphaera sedula, Sulfolobus spp.). In addition to the crystallographic orientation and nature of microbial species, parameters such as pH, temperature, and time may affect the leaching process. Epifluorescens microscopy observations show, that some microbial strains attach to the mineral surface whereas others remain planktonic in the liquid growth medium. Systematic studies addressing the effect of time are accomplished in time spans between one day and six weeks. Cell attachment commences after few days attaining a surface cell density that remains stable after approximately two weeks. Scanning Electron Microscopy (SEM) studies have shown that leaching effects become visible within few days of incubation. Surface alteration produces structures such as channels, inverse pyramids following crystallographic orientation, rectangular or round pits in the 10s to 100s um size range. Epifluorescens microscopy and SEM analysis has show that surface alteration as result of microbial activity occurs first at weaknesses in the surface, such as micro-scratches and possibly at crystallographic defects (e.g. screw and edge dislocations). Leaching occurs due to microbial activity, which results in lowering pH-values from 2.5 in the growth medium to approximately 1.5 in local micro-environments. To test whether microbial activity has a direct bearing on surface alteration, or whether abiotic acid leaching produces similar results, we devise experiments using sulfuric acid etching to compare features of surface alteration.

 

 

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 Life Marker Chip development

Dr. J. Toporski


Following the successful MarsExpress mission, Europe is gearing up for surface Mars exploration. The ExoMars mission, currently scheduled to launch in 2011, will deliver a rover to the surface of Mars that will be able to investigate the Martian surface and shallow subsurface for its structure and composition. A suite of complementary analytical instruments will specifically engage on the search for organic substances, aiming to characterize the habitability potential of the red planet or even assess possible evidence of past or present habitation. The so called Life Marker Chip (LMC) instrument is one of the instruments dedicated to carry out this task. Employing biosensor concepts and biotechnological approaches, this instruments is designed to recognize complex organic substances. As part of an international team based in the UK, The Netherlands, USA and Germany, we develop and test instruments components in preparation for this challenging endeavor.


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 BIOPAN flight opportunity

Dr. J. Toporski


Individual molecular and hardware components of the Life Marker Chip instrument will be tested in a real space flight scenario, the ESA BIOPAN flight opportunity. BIOPAN is a pan-like structure with a bottom and lid plate that carries multiple experiment frame for biological experiments under space conditions in low Earth orbit. Launched on a Russian FOTON-M3 capsule it orbits Earth for approximately two weeks, during which the BIOPAN opens and the experiments are exposed to space conditions (microgravity, low pressure, temperature, radiation,…). Our team (as above) will use this opportunity in preparation of the Life Marker Chip instrument for Space flight qualification.


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 Al-reiche mikroporöse Strukturen

Projektleitung: Prof. Dr. W. Depmeier
Förderung: DFG
Laufzeit: seit 10.2002


Dr. L. Peters.

Dr. N.-S. Rahmoun.


Ein häufig in der Strukturchemie der Aluminosilikate gebrauchtes Argumentationsmuster ist unter dem Namen Loewenstein'sche Regel (aluminium avoidance rule) bekannt. Die Regel beschreibt die unbestreitbare Tatsache, dass in Strukturen mit eckenverknüpften TO4 Tetra­edern (T = Si, Al) direkte Verknüpfungen von AlO4 Tetraedern energetisch ungünstig sind und daher vermieden werden. Das führt für Verhältnisse Al:Si = 1,0 dazu, dass in der Struk­tur SiO4 und AlO4 Tetraeder alternieren. Diese Regel gilt insbesondere für Gerüstsilikate mit der Gerüstzusammensetzung [AlxSi1-xO2]x- und genießt z.B. in der Zeolithchemie hohe Popularität. Eine weitere Eigenschaft der Al/Si-Substitution in solchen Strukturen ist ihre extreme Asymmetrie: Während Aluminosilikate mit 0 ≤ Al:Si ≤ 1 sehr häufig sind und in riesigen, geologisch relevanten Mengen auftreten, sind solche mit 1 < Al:Si ≤ ∞ sehr selten. Dies gilt besonders für solche Strukturen, die nur eine topologische Sorte von Tetraedern enthalten. Die einzigen bekannten Beispiele scheinen zur Sodalithfamilie zu gehören. In diesem Projekt sollen reproduzierbare Präparationsrezepte für diese Phasen erarbeitet und die Produkte mit modernen Analysemethoden bezüglich ihrer Strukturen und Eigenschaften charakterisiert werden. Möglichkeiten zur Herstellung anderer Al-reicher mikroporöser Strukturen sollen erforscht werden.

  • Peters, L., Knorr, K., Knapp, M., and Depmeier, W. (2005) Thermal expansion of gehlenite, Ca2Al[AlSiO7], and the related aluminates (LnCa)Al[AlSiO7], Ln: Tb, Sm. Physics and Chemistry of Minerals, 32, 460-465.
  • Peters, L., Knorr, K., Schmid-Beurmann, P., and Depmeier, W. (2006) On the volume of solid solutions: An anisotropic approach. Physics and Chemistry of Minerals, in print.
  • Peters, L., Knorr, K., and Depmeier, W. (2006) Structural Variation in the Solid-Solution Series (LnxCa2-x)Al[Al1+xSi1-xO7] with 0<1 and Ln: La, Eu, Er. Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie, 632, p. 301-306.>
  • Peters, L., Knorr, K., Katzke, H., Knapp, M., and Depmeier, W. (2006) The transformation mechanism of the sodalite to melilite-topology: Thermal expansion and decomposition of bicchulite to melilite-type compounds. Zeitschrift für Kristallographie, 221(3), in print.
  • Peters, L., Knorr, K., Fechtelkord, M., Appel, P., and Depmeier, W. (2006) Structural variations in the solid solution series of sodalite-type |(EuxCa2-x)4(OH)8|[(Al2+xSi1-x)4O24]-SOD with 0<1, determined by X-ray powder diffraction and 27Al MAS NMR spectroscopy. Zeitschrift für Kristallographie, 221, 643-648.>

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 Anionensubstitution in Sodalithen

Projektleitung Prof. Dr. W. Depmeier
Förderung: DFG, SPP Substitutionsmischkristalle
Laufzeit: seit 11.2002


Greys Vega Flores, M.Sc.,


Es soll untersucht werden, wie sich Anionensubstitution auf Strukturen, Phasenumwandlun­gen, Phasendiagramme und ausgewählte Eigenschaften einiger mikroporöser Gerüststruktu­ren aus der Familie der Aluminatsodalithe auswirkt. Die Untersuchungen sollen dazu beitra­gen, den Einfluss der Gastanionensubstitution auf die kompetitiven Wechselwirkungen Gerüst – Gastkationen, Gerüst – Gastanionen und Gastkationen - Gastanionen aufzuklären und deren Auswirkung auf die Bildung geordneter modulierter oder statisch fehlgeordneter Phasen zu überprüfen.


Mit Hochdruckexperimenten soll die Kompressibilität einiger ausgewählter Aluminosilikat-Sodalithe als Funktion des Beladungszustandes bestimmt werden und damit die mögliche kritische Konzentration, bei der das Gerüst unter Druck kollabiert.


Die thermische Expansion einiger große Anionen enthaltender Sodalithe zeigt als Funktion der Temperatur eine Unstetigkeit, über deren Ursache noch Uneinigkeit herrscht. Experimente bei höheren Drücken sollten geeignet sein, einige der vorgeschlagenen Argumente zu bestätigen oder zu widerlegen.


  • Depmeier, W.: The Sodalite Family - A Simple Architecture, but Versatile Framework Structure. In: G. Ferraris & St. Merlino (eds.): Micro- and Mesoporous Mineral Phases, Washington, Reviews in Mineralogy and Geochemistry Vol. 57, 203 - 240 (2005)

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 CarbidoNitrido

Projektleitung: Prof. Dr. B. Winkler, Frankfurt, Prof. Dr. W. Schnick, München, PD. Dr. K. Knorr
Förderung: DFG, SPP Substitutionsmischkristalle
Laufzeit: seit 11.2002


Dr. A. Friedrich (2002-2005), Dipl. Chem. A. Lieb (2002-2006), Dr. E. Juarez seit 2005,


Nitridosilicate und Oxonitridosilicate (Sione) können als Untergruppe der Oxonitridoalumosilicate (Sialone) aufgefaßt werden, in denen partiell Stickstoff-Atome des Gerüstes durch O bzw. Tetraederzentren (Si) durch Al substituiert wurden. Es existieren einige Beispiele aus diesen Verbindungsklassen, die eine erhebliche Kationen- bzw. Anionen-Substitution erlauben. An ausgewählten Beispielen der Nitridosilicate, Oxonitridosilicate und Oxonitridoalumosilicate sollen die Einflußfaktoren für die Synthese definierter Substitutions-Vertreter erarbeitet werden und gleichzeitig die Grenzen der Substituierbarkeit (Phasenbreiten) herausgefunden werden, so daß gezielt definierte Vertreter dieser Verbindungen synthetisiert werden können. Parallel zu den synthetischen Untersuchungen soll der Einfluß von Kationen- und Anionen-Substitution auf die Materialeigenschaften (insbes. mechanische und optische Eigenschaften) der untersuchten Verbindungen quantitativ ermittelt werden. Da druckinduzierte strukturelle Änderungen häufig sehr viel größer sind als Änderungen durch 'chemischen Druck', d. h. durch Substitution struktureller Baueinheiten mit unterschiedlichem Platzbedarf, sollen in situ-Hochdruckuntersuchungen die Experimente zur Substitution ergänzen und erweitern. Neben den druck- und temperaturabhängigen in situ-Untersuchungen sollen außerdem parameterfreie, quantenmechanische Rechnungen bezüglich der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Nitridosilicaten, Oxonitridosilicaten und Oxonitridoalumosilicaten durchgeführt werden. Die Bestimmung von Bindungsstärken und -typen, von elastischen Eigenschaften und von strukturellen Variationen als Funktion der Zusammensetzung sowie des Druckes wird ein Verständnis der Substitutionseffekte in dieser Substanzklasse ermöglichen und somit einen wesentlichen Schritt zur Synthese von Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften ermöglichen. Grundlage der Untersuchungen sind die von den Projektleitern in den letzten Jahren erzielten signifikanten Fortschritte in der Präparation der Nitridosilicate, Oxonitridosilicate und Oxonitridoalumosilicate. Die etablierten Syntheseverfahren sollen hier apparativ und methodisch weiter entwickelt werden. Dazu sollen auch zeitaufgelöste Messungen während der Kristallisation durchgeführt werden sowie die Kiel-Berlin-Hochdruck/Hochtemperaturzelle und ein neu entwickelter Widerstandsofen eingesetzt werden.


  • Friedrich, A., Haussühl, E., Morgenroth, W., Lieb, A., Winkler, B., Knorr, K., and Schnick, W. (2006) Crystal structure of the high-pressure phase of the oxonitridosilicate chloride Ce4[Si4O3+xN7-x]Cl1-xOx, x=0.2. Acta Crystallogr. B, 62(2) 205-211.
  • Juarez-Arellano, E.A., Friedrich, A., Knorr, K., Lieb, A., Winkler, B., Amboage, M., Hanfland, M., and Schnick, W. (2006) Compressibility of the nitridosilicate SrYb[Si4N7] and the oxonitridoaluminosilicates MYb[Si4-x]AlxOxN7-x (x=2, M=Sr, Ba). Acta Crystallographica B, in print.
  • Friedrich, A., Knorr, K., Lieb, A., Rath, S., Hanfland, M., Winkler, B., and Schnick, W. (2005) Bulk modulus and phase transition of the oxonitridosilicate chloride Ce4[Si4O3+xN7-x]Cl1-xOx, x = 0.2 at high pressures up to 28 GPa Zeitschrift für Kristallographie, 220(2,3), 245-249.

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 Instrumentierung an PETRA III

Projektleitung PD. Dr. K. Knorr
Laufzeit: seit 2004


Koordination eines Antrags [PDF] zum Aufbau einer Diffraktionsstation für Untersuchungen bei extremen Bedingungen (p Mbar, T > 2000 K)


New opportunities for science under extreme conditions are becoming possible through the PETRA III storage ring at DESY, Hamburg, which will undergo a major upgrade starting in 2007. As a result, there will be a 3rd generation synchrotron available in Germany, that will be comparable to or even superior to the current facilities at the ESRF.


High brilliance hard X-rays are essential for diffraction experiments at extreme conditions in order to penetrate various kinds of sample containment (diamond anvil cells (DAC), large volume Paris/Edinburgh-type cells, furnaces and cryostats). In order to achieve ultra-high pressures in the Mbar regime, micrometer sized samples (about 10 microns) are required. At routinely accessible pressures (to 50 GPa) such a spot size allows higher resolution since a sample volume in the pressure cell having smaller pressure and/or temperature gradients can be investigated. Studies with monochromatic X-rays go beyond simple phase and cell-parameter determination by measurements of reliable diffraction intensities being the prerequisite for solution and refinement of complex crystal structure at extreme conditions. A high signal/noise ratio is mandatory for the measurement of low-Z materials and the analysis of slight structural distortions, which manifest themselves in small intensity changes, weak superstructure reflections etc. All this is only possible at 3rd generation synchrotron sources. Koordination eines Antrags [PDF] zum Aufbau einer Diffraktionsstation für Untersuchungen bei extremen Bedingungen (p Mbar, T > 2000 K)


The installation of a high-energy micro focus experiment dedicated to X-ray diffraction at extreme conditions is proposed for PETRA-III. These extreme conditions include simultaneously pressures from ambient to the megabar range and temperatures ranging from 4 to above 2500 K.


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 Uranylverbindungen

Projektleitung: Prof. Dr. W. Depmeier, PD. Dr. H. Katzke, Prof. Dr. S. Krivovichev, St. Petersburg, Moscow
Förderung: DFG, DAAD
Laufzeit: seit 2005


Dr. Evgeny Alekseev, Dipl. Min. Evgeny Nazarchuk


Text to come ...


  • Krivovichev, S.V., Cahill, C.L., Nazarchuk, E.V., Burns, P.C., Armbruster, T. & Depmeier, W.: Chiral open-framework uranyl molybdates. 1. Topological diversity: synthesis and crystal structure of [(C2H5)2NH2]2[(UO2)4(MoO4)5(H2O)](H2O). Microporous Mesoporous Materials 78, 209 - 215 (2005)
  • Krivovichev, S.V., Burns, P.C., Armbruster, T., Nazarchuk, E.V. & Depmeier, W.: Chiral open- framework uranyl molybdates. 2. Flexibility of the U:Mo = 6:7 frameworks: syntheses and crystal structures of (UO2)0.82[C8H20N]0.36[(UO2)6(MoO4)7(H2O)2](H2O)n and [C6H14N2][(UO2)6(MoO4)7(H2O)2](H2O)m. Microporous Mesoporous Materials 78, 217 - 224 (2005)
  • Krivovichev, S.V., Armbruster, T., Chernyshov, D. Yu., Burns, P.C., Nazarchuk, E.V. & Depmeier, W.: Chiral open-framework uranyl molybdates. 3. Synthesis, structure and the C2221 ? P212121 low-temperature phase transition of [C6H16N]2[(UO2)6(MoO4)7(H2O)2](H2O)2 Microporous Mesoporous Materials 78, 225 - 234 (2005)

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 Determination of pore volumes, pore shapes and migration paths in microporous crystals

Prof. Dr. F. Liebau, Prof. Dr. H. Küppers, Prof. Dr. A.L. Spek, Utrecht, NL


Volumes and shapes of pores are important characteristics with regard to syntheses and technical applications of zeolites and other microporous ma-terials. Present methods give only insufficient approximations of pore vol-umes, pore shapes and porosity.

 

In the present project Spek's existing program system PLATON, which contains an option SOLV that is primarily developed to study organic struc-tures, is extended for studies of crystalline microporous materials with inor-ganic host frameworks. The extended PLATON/SOLV program allows not only to determine, from crystal structure data, volumes and shapes of pores and the porosity of a material with high accuracy. It also determines the di-mensionality of each pore as function of the radius of a spherical guest atom or molecule, thus deciding whether the material is a clathrate or a zeoate with regard to this guest. In addition, diffusion paths for spherical guests of a given size can be determined and mapped.

 

So far we have applied the PLATON/SOLV program to several micro-porous materials, in particular to the zeolite afghanite (Fig). To demonstrate the potency of the program other microporous materials will be studied.

 

 

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 Atom valences and bond valences

Prof. Dr. F. Liebau, Prof. Dr. X. Wang, Houston, Texas, USA


Based on the stoichiometry of normal valence compounds, each element is assigned one or several different atom valences. This stoichiometric valence (oxidation number) has positive or negative integer number values.

 

According to Pauling, the valence of an atom is distributed between the bonds to its neighbours. Provided that all neighbours of an atom are of the same element, the valence of a bond is the higher the shorter the bond. This is the basis of the well known bond valence model (BVM). For the majority of inorganic compounds, bond valence sums calculated with the BVM are within 0.1 valence units (v.u.) equal to the Values of the stoichiometric atom valences. However, our studies have shown that calculated bond valence sums for cations with one lone electron pair (LEP) deviate by up to 1.0 v.u. from their stoichiometric valences. These deviations are the larger the more distorted their coordination polyhedra, due to the stereochemical activity of the LEP. This suggests that, at least for cations with one LEP, bond valence sums calculated from crystal structure data are good approximations of a structural valence. The relationship between (positive and negative) stoichiometric and structural valence values is very similar to the relationship between ionisation energy and electron affinity on the one hand and electronegativity on the other. Future studies will have to prove whether this concept of two distinct valence properties can be extended to other atoms.

 

 

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 Wachstum und Grenzflächeneigenschaften von Sulfid- und Selenid-Schichtstrukturen

Von der Kieler Kristallographie wurde die interdisziplinäre Dfg-Forschergruppe "Wachstum und Grenzflächen­eigenschaften von Sulfid- und Selenid-Schichtstrukturen" initiiert wurde koordiniert.

 

Projektleiter: Prof. Dr. W. Depmeier

Förderung: DFG

Laufzeit: seit 07.1999

 

Koordination der DFG-Forschergruppe „Wachstum und Grenzflächeneigenschaften von Sulfid- und Selenid-Schichtstrukturen“. Aus dem Koordinatorenfonds wird Dr. Karin Griewatsch für Öffentlichkeitsarbeit beschäftigt.

 

Chalkogen-Misfit-Verbindungen: Präparation, strukturelle Charakterisierung, Hochdruck- und Computerexperimente

 

Projektleiter: Prof. Dr. W. Depmeier

Förderung: DFG

Laufzeit: seit 07.1999

 

PD Dr. B. Winkler, Dr. M. Hytha, Dipl.-Min L. Ehm.

 

Ausgewählte Vertreter der Misfitverbindungen, allgemeine Formel [(M1-yTyS)]1+x [(TS2)mTz] (M ist z.B. Sn, Pb, Bi, Sm, Gd, Ho; T = Ti, V, Cr, Nb, Ta; m = 1 - 3), werden in Überein­stimmung mit den Zielen der Forschergruppe untersucht. Die Grenzbereiche zwischen den Schichten und die Kationenverteilung sind von besonderem Interesse. Die wichtigsten Unter­suchungsmethoden sind Beugung unter Hochdruckbedingungen und Computerexperimente auf ab initio Basis.

 

 

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 Untersuchungen zur Synthese, Strukturen und strukturellen Änderungen von Chalcophosphaten AIMIIPQ4 (Q = S, Se)

Projektleitung: Prof. Drs. W. Depmeier; W. Bensch, Anorg. Chem. CAU
Förderung: DFG
Laufzeit: seit 17.09.2001


In Koop. mit: Prof. Dr. I. Belkyal, Dept. Chimie, Universite Cadi Ayyad, Marrakech.


In diesem Projekt sollen die Strukturen und eventuelle Phasenumwandlungen der bei Raum­bedingungen bekannten Thiophosphate KNiPS4 und KPdPS4 bei variablen Drücken und Temperaturen mit Hilfe von Röntgenbeugung, spektroskopischen und thermoanalytischen Verfahren untersucht werden. Diese Untersuchungen sollen durch Computerexperimente unterstützt und ergänzt werden, wobei die modernsten uns zur Verfügung stehenden quan­tenmechanischen ab initio Methoden zum Einsatz kommen sollen. An beiden Verbindungen sollen auch Substitutions-, bzw. Interkalationsexperimente durchgeführt werden. Für noch nicht bekannte Thiophosphate AIMIIPS4 (z.B. A = K, Rb; M = Sn, Pb, Zn, Cd) sollen Synthe­sewege erforscht und die Produkte im Erfolgsfall wie oben charakterisiert werden. Eventuell anfallende Thiophosphate anderer Stöchiometrie sollen zumindest strukturell aufgeklärt werden. Zusätzlich sollen geeignete physikalische Eigenschaften, nicht zuletzt im Hinblick auf eventuelle Anwendungsmöglichkeiten, gemessen werden. Die binationale Kooperation soll dazu dienen, die marokkanischen Kooperationspartner mit modernen festkörperanalyti­schen Methoden bekannt zu machen. Die Installation eines Pulverdiffraktometers in Marra­kech hat dort den Keim für den Aufbau eines lokalen Kompetenzzentrums für Strukturauf­klärung und Phasenanalyse gelegt.


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 Wirt/Gast-Wechselwirkungen in Bassanit: Labor- und Computerexperimente

Projektleitung Prof. Dr. W. Depmeier, Prof. Dr. B. Winkler, Uni Frankfurt
Förderung: DFG
Laufzeit: beendet


Beteiligte Wissenschaftler: Dipl.-Min. H. Voigtländer


Trotz der großen technischen Bedeutung von Calciumsulfat-Halbhydrat, CaSO4•0,5H2O, (Mineralname Bassanit), sind Struktur und Dynamik der in die Kanäle (Ø ~ 4Å) der Struktur eingebauten Wassermoleküle und ihre Wechselwirkung mit der Wirtsstruktur (i.w. die Struktur des sogenannten γ-Anhydrits) noch weitgehend unverstanden. Nach älteren Angaben liegt das Wasser geordnet und durch schwache Wasserstoffbrücken an die Kanalwände gebunden vor. Eigene neutronenspektroskopische Untersuchungen legen nahe, dass die Wassermole­küle bei RT dynamisch fehlgeordnet sind; bei tiefen Temperaturen erfolgt ungeordnete Kondensation an den Kanalwänden. Die Hydratation und Dehydratation verlaufen ähnlich wie in Zeolithen. Fragen zu Existenz und Eigenschaften von Subhydraten sind noch weitgehend ungeklärt. Hohe Drücke sollten die Wechselwirkungen zwischen Wirt und Gästen in den Verbindungen CaSO4·xH2O verstärken.


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 Realbau von Mineralen und anderen Festkörpern

Projektleiter: Prof. Dr. M. Czank


In Koop. mit: Prof. Dr. A.G. Castellanos-Guzman, Laboratorio de investigacion en materia­les, Uni Gaudalajara, Mexiko; Prof. Dr. F. Faupel, Techn. Fak., CAU, Kiel; Dr. K. Friese, Dep. Física Materia Condensada, Uni Pais Vasco, Bilbao, Spanien; Dr. M. Pósfai, Dept. Earth & Environm. Sci., Uni Veszprém, Ungarn; Dr. G. Simon, Min. Staatssammlg., München; Prof. Dr. G. van Tendeloo, EMAT, Uni Antwerpen, Belgium.


In den Arbeiten wurde vor allem die Transmissionselektronenmikroskopie zur Bestimmung und Charakterisierung des Realbaus von Mineralen und synthetischen Festkörpern eingesetzt:


  • Bestimmung und Charakterisierung der Realbau: Die Kenntnis des Realbaus (z.B.: Baufehler, incommensurable Modulationen, Domänenstruktur) von Mineralen und synthetischen Festkörpern ermöglicht Rückschlüsse auf deren Entstehung- bzw. Synthesebedingungen.
  • In-situ temperaturabhängige TEM-Untersuchungen: Phasenumwandlungen sowie Änderungen im Realbau werden unter direkter Beobachtung, vornämlich durch Elektronenbeugung, zwischen 100K und 1100K verfolgt.
  • „Elektronen-Kristallographie“ von Meso- und Nanokristallen: Bestimmung der kristallographischen Daten (Elementarzelle, Raumgruppe, wenn möglich auch Atomlagen) von äußerst kleinen Kristalliten, die mit anderen Methoden nicht zugänglich sind.
  • Aktuelle Untersuchungen
    • „Amphiboloide“: eine neue homologe strukturelle Reihe mit den Endgliedern Amphibole und Howieite.
    • Cancrinite: inkommensurable Überstruktur.
    • Charoite: Strukturbestimmung

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 Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und Hochdruckpolymorphie von Fluoriden

Projektleitung: Prof. Dr. Björn Winkler, Uni Frankfurt, Dr. K. Knorr
Förderung: DFG
Laufzeit: 2000-2002


Beteiligte Wissenschaftler: A. Dubinin


In strukturell einfachen Difluoriden können die Kationen über einen sehr weiten Konzentra­tionsbereich (bis zu 30 mol%) substituiert werden, während F-Ionen auf Zwischengitterplät­zen eingebaut werden können. Ziel der Arbeiten ist es, die Änderungen der makroskopi­schen Eigenschaften zu quantifizieren und zu verstehen. Dazu sollen quantenmechanische Modelle eingesetzt werden, um die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Idealkristallen zu bestimmen. Diese Ergebnisse sollen dann mit experimentellen in situ Hochdruck- und Hoch­temperatur-Beugungsuntersuchungen an Realkristallen verglichen werden, um so die induzierten Änderungen zu verstehen.

 

 

  • Dubinin, A., Winkler, B., Knorr, K., and Milman, V. (2004) Lattice dynamics and elastic properties of PbF2 and BaF2 from quantum mechanical calculations. European Physical Journal B, 39, 27-33.
  • Ehm, L., Knorr, K., Mädler, F., Voigtländer, H., Busetto, E., Cassetta, A., Lausi, A., and Winkler, B. (2003) High-Pressure X-ray diffraction study on alpha-PbF2. J. Phys. Chem. Sol., 64, p. 919-925.
  • Winkler, B., Knorr, K., and Milman, V. (2003) Prediction of the structure of LaF3 at high pressures. Journal of Alloys and Compounds, 349, 111-113.
  • Diploma thesis: L. Peters (2002) Thermogravimetrische und roentgenographische Untersuchungen an LaF3 zwischen Raumtemperatur und 1273 K.

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 Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Übergangsmetallphosphiden,-carbiden und -nitriden

Projektleitung: Prof. Dr. Björn Winkler, Uni Frankfurt, Dr. K. Knorr
Förderung: DFG, BMZ
Laufzeit: 2001-2004


In Koop. mit: Prof. Dr. M. Avalos Borja, UNAM, Ensenada, Mexiko.
Beteiligte Wissenschaftler: V. Soto, M.Sc.; L. Lopez de la Torre, M.Sc.


Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Phasen, die bei der katalytischen Entschwefelung von Erdöl eine Rolle spielen, sollen mit einer Kombination von quantenmechanischen Rechnun­gen, in situ Röntgenhochdruckuntersuchungen und Elektronen-Energie-Verlust-Spektrosko­pie untersucht werden. Konkret sollen hier Übergangsmetall-Carbide, -Phosphide und -Nit­ride untersucht werden, die als Nebenprodukte bei der, auf der Reaktion mit Sulfiden beru­henden, konventionellen, katalytischen Entschwefelung entstehen. Ziel der Untersuchungen ist es, ein tieferes Verständnis der interatomaren Wechselwirkungen in diesen strukturell und chemisch einfachen Phasen zu erreichen. Dies soll die Grundlage für ein besseres Verständ­nis ihrer katalytischen Eigenschaften liefern, und so die Verbesserung von Katalysatoren ermöglichen.

 

 

  • Lopez de la Torre, L., Winkler, B., Schreuer, J., Knorr, K., and Avalos-Borja, M. (2005) Elastic Properties of tantalum carbide, TaC. Solid State Communications, 134, 245-250.
  • Soto, V., Knorr, K., Ehm, L., Baehtz, C., Winkler, B., and Avalos-Borja, M. (2004) High-pressure and high-temperature powder diffraction on molybdenum diphosphide, MoP2. Zeitschrift für Kristallographie, 219, p. 309-313.
  • Winkler, B., Knorr, K., Hytha, M., Milman, V., Soto, V., and Avalos, M. (2003) Crystal chemistry of molybdenum phosphides from density functional theory calculations. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 64, 405-411.
  • Ph.D. thesis: V. Soto (2004) CICESE, Ensenada, Mexico; L. Lopez de la Torre (2006) CICESE, Ensenada, Mexico.

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 Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Protonenleitern des Typs MHXO4 und M3H(XO4)2

Projektleitung Dr. K. Knorr, Prof. Dr. W. Depmeier
Förderung: DFG
Laufzeit: seit 02.2001


Beteiligte Wissenschaftler: G. Lentz


Die Kristallstrukturen und die Dynamik von ausgewählten Vertretern der protonenleitenden Substanzklassen mit den allgemeinen Formeln MHXO4 und M3H(XO4)2 (M: Alkalimetall­kationen oder Ammonium, X: Se, S) sollen untersucht werden. Mittels Hochdruck/ Hoch­temperatur-Röntgen- und Neutronenbeugung soll der Einfluss interatomarer Abstände auf die strukturellen Mechanismen der Protonenleitung untersucht werden. Es sollen die Proto­nenleitungspfade mit Fourier- und Maximum-Entropie-Methoden aus Beugungsdaten rekon­struiert und deren Geometrie sowie Änderungen der Geometrie in Abhängigkeit von Druck und Temperatur analysiert werden. Die Probenauswahl konzentriert sich zunächst auf Kalium- und Ammoniumverbindungen bei welchen, auf Grund der speziellen Werte der Ionenradien, das Vorliegen kritischer Abstände, die für den Übergang zu guter Protonenlei­tung verantwortlich sein sollen, vermutet wird. Weiterhin soll durch den Vergleich der Kalium- und Ammoniumverbindungen der etwaige Beitrag der Protonen der Ammoni­umgruppe zur Protonenleitung studiert werden. Der Einfluss von Voll- und Teildeuterierung auf Strukturen, Phasensequenzen, Umwandlungscharakteristika etc. ist zu studieren. Neben der kristallographischen Charakterisierung ist ein weiterer Schwerpunkt die Untersuchung des Einflusses struktureller Änderungen, welche durch die Variation von Druck und Tempe­ratur hervorgerufen werden, auf physikalisch/ chemische Eigenschaften und die Dynamik.

 

 

  • Bagdassarov, N., Lentz, G.Y. (2005) High pressure behaviour of KHSO4 studied by electrical impedance spectroscopy. Solid State Communications 136, 16-21.

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