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Institut Dr. Flad
Berufskolleg für Chemie, Pharmazie und Umwelt

Ausbildung mit Markenzeichen. Seit 1951.

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Prof. Dr. Joachim Maier

Max Planck Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

Das 'chemische Innenleben' fester Stoffe: Von Fehlstellen zu modernen Batterien

Freitag, 23.09.2011, 14:00 Uhr
Vortrag am Institut Dr. Flad, Großer Hörsaal

größer Mit der Begrüßung von Prof. Dr. J. Maier durch Herrn Flad hat dieser für die Schüler noch einige Informationen zur Wirkungsstätte des Gastes, dem Max-Planck-Institut, gegeben. Obwohl es erst 1948 gegründet wurde, feiert es bereits seinen 100. Geburtstag. Er löste das Rätsel natürlich auch auf und erklärte, dass das MPI aus dem Kaiser-Wilhelm-Institut hervorgegangen ist und damit bereits seinen 100-jährigen Geburtstag feiern kann. Die Bedeutung des Instituts verdeutlichte er auch mit den 17 aus dem Institut hervorgegangenen Nobelpreisträgern.

Neben zahlreichen Ehrungen und Preisen, die der Gast bereits erhalten hat, erwähnte Herr Flad auch noch ein Lebens- und Arbeitsmotto von Prof. Maier, das die Schüler als Vorbild nehmen sollten: "Man darf sich von Misserfolgen nicht entmutigen lassen" und sollte daran denken "Chemie löst Probleme manchmal auch, wenn man Fehler planmäßig einplant".

Als Einstieg wählte Prof. Maier den lateinischen Spruch "Perenne Nil Nisi Solidum", der besagt, nur das Feste ist beständig und wollte dieses Postulat in seinem Vortrag wissenschaftlicher Prüfung unterziehen.

Dabei erklärte er, dass Festkörper Diffusionskoeffizienten haben, mit denen sich Teilchen durch den Festkörper bewegen. Dieser Diffusionskoeffizient ist zwar mit 10-10 bzw. 10-20 m2 · s-1 wesentlich kleiner als in gasförmigen oder flüssigen Aggregatzuständen, aber es gibt ihn in Abhängigkeit von der Temperatur durchaus. Als Beispiel nannte er die Zirkonoxidkeramik, die bei hohen Temperaturen ein hoher Sauerstoffionenleiter ist. Die Erklärung dafür sind Leerstellen von Sauerstoffionen bzw. interstitielle Fehlstellen, die durch überschüssige Protonen im Kristallgitter des Festkörpers hervorgerufen sein können.

größer Diese Fehler im Festkörper haben ihre Ursache in der Entropie und sind auch verantwortlich für die elektrische Leitfähigkeit. Das verglich der Referent mit der Struktur von Wasser, in dem sich auch H2O in dissoziierter Form zu einem kleinen Anteil in H3O+ und OH--Ionen zeigt und damit "Fehlstellen" im Wasser darstellen. Darauf hat er den Bogen geschlagen über die Brennstoffzelle und den Elektrolysator zum chemischen Sensor, der eine Ionen- und Elektronenleitfähigkeit besitzt, zum CO2 Sensor Strontiumtitanat. Dabei ging der Referent auf die historischen Ansichten von Dalton und Berthollet ein, um zu zeigen, dass beide Wissenschaftler mit ihren scheinbar gegensätzlichen Auffassungen eines starren Mischungsverhältnisses und eines variablen Mischungsverhältnisses der Ionen in Abhängigkeit von Druck und Temperatur von der heutigen Wissenschaft bestätigt werden konnten.

Nun stellte sich für Prof. Maier die Frage, wie die elektrische Leitfähigkeit und Speicherkapazität in Festkörpern erhöht werden könnte und er zeigte wie durch die Vergrößerung der Oberfläche eines Festkörpers mittels der Herstellung von Grenzflächen die Anomalie der Stromleitfähigkeit durch die positive Ladung an Grenzflächen ausgenutzt werden kann. Diese elektrische Ladung sollte nun nicht in Verbindung mit Blei, sondern optimiert mit Lithium gespeichert werden. Das im Periodensystem der Elemente oben angesiedelte, leichte Lithium ermöglicht eine hohe Energiedichte pro Masse. Damit erläuterte er das Prinzip der Lithiumbatterie, die in Verbindung mit porösem Kohlenstoff einen guten Elektronenleiter darstellt.

Seinen Vortrag rundete Prof. Maier mit einem Rat an die Schüler ab, in der Chemie nicht nur den perfekten Zustand zu untersuchen, sondern auch Lösungen in der "Fehlerchemie" zu suchen.

Christine Weber

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