Schmelzen von Clustern

Bestimmung von Phasenübergangen aus den Kalorischen Kurven von massenselektierten Na-Clusterionen

Christian Hock, Martin Schmidt, Bernd v.Issendorff und Hellmut Haberland


Viele Eigenschaften der Cluster wie Dichte, Farbe oder Leitfähigkeit unterscheiden sich deutlich von denen makroskopischer Körper. Cluster schüren daher ca. 15 Jahren ein intensives Interesse der Grundlagenforschung. Auch erhofft man sich von technologischer Seite, neue Werkstoffe mit bisher unbekannten Eigenschaften entwickeln können. Bei der zunehmenden Miniaturisierung der Elektronik könnten Besonderheiten kleiner Strukturen zukünfig ebenfalls eine Rolle spielen. 
Wir haben nun eine Methode entwickelt, die kalorischen Kurven von sehr kleinen Clustern zu messen und damit eine weitere, wichtige Eigenschaft mit eigentümlichen Besonderheiten experimentell zugänglich gemacht.

Einführung: Schmelzpunkt, Schmelzwärme, kalorische Kurve

Den Schmelzpunkt von Wasser zu messen ist nicht schwer: Man kühlt das Wasser ab und beobachtet, bei welcher Temperatur es fest wird. Wie aber mißt man einen Schmelzpunkt, wenn man der untersuchten Probe beim Gefrieren nicht zuschauen kann? 

Bei einer Probe von einigen Gramm oder zumindest Milligramm verwendet man dazu folgenden Aufbau: Sie wird gut thermisch isoliert und elektrisch geheizt, während man ihre Temperatur mißt. Normalerweise steigt die Temperatur bei gleichbleibender Wärmezufuhr kontinuierlich an. Am Schmelzpunkt tritt jedoch ein spezielles Phänomen auf: Die Temperatur verweilt dort eine zeitlang, ohne weiter anzusteigen, obwohl die Probe weiter geheizt wird. Daran kann man Schmelzpunkte erkennen. Die Energie, die dabei ohne Wirkung auf die Temperatur zugeführt werden muß, wird Schmelzwärme oder latente Wärme genannt. Sie wird benötigt, um die Gitterstruktur aufzulösen, und kommt daher nicht der Erwärmung zugute. In dieser Eigenschaft von Schmelzvorgängen liegt der Grund, warum ein eisgekühltes Getränk die Temperatur von Null Grad beibehält solange Eis darin ist, und das, obwohl es von der warmen Umgebung ständig geheizt wird.

Den Zusammenhang zwischen der Energie aus der Heizung und der Temperatur der Probe nennt man die kalorische Kurve (siehe Abbildung).Der Schmelzpunkt ist als Stufe darin zu erkennen und die Breite der Stufe ist die Schmelzwärme. Das beschriebene Gerät ist ein Kalorimeter. Es ist ein Messgerät, das ein exaktes Bestimmen von Schmelzpunkten zuläßt, ohne der Probe beim Schmelzen zuschauen zu müssen. In einem normalen Kalorimeter benötigt man jedoch einige Gramm oder zumindest Milligramm Material für die Messung. Unsere Cluster sind ca. zwanzig Größenordnungen kleiner!

  Wie baut man ein Kalorimeter für eine dermaßen kleine Probe?

Wir kehren dazu das Messprinzip um: Wir stellen Cluster mit bekannter Temperatur her und messen die in ihnen enthaltene Energie. Damit erhalten wir wieder den Zusammenhang zwischen Energie und Temperatur, also die kalorische Kurve. In ihr sehen wir die für Schmelzvorgänge typischen Stufen und lesen daraus Schmelzpunkt und Schmelzwärme ab.