Soret-Effekt in ternären Fluiden

• Antragsteller: Professor Dr. Werner Köhler
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 165523369

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Es wurden systematische Untersuchungen an ternären Mischungen in Gegenwart eines Temperaturgradienten durchgeführt. Zu Beginn des Projekts existierten kaum Literaturdaten. Schwerpunkt der ersten Förderperiode war die Entwicklung einer Zweifarben-OBD-Apparatur und die Durchführung erster Testmessungen. In der zweiten Förderperiode wurde zunächst der Messprozess detailiert analysiert. Darauf aufbauend wurden Aussagen über die grundsätzliche Messbarkeit der Transportkoeffizienten abgeleitet. Anschließend wurde erstmals ein ternäres System, das sogenannte DCMIX1-System (nC12-IBB-THN) im gesamten Kompositionsraum vermessen. Hierbei konnten die Soret- und Thermodiffusionskoeffizienten und ein mittlerer Diffusionskoeffizient erhalten werden, nicht jedoch die einzelnen Einträge der 2 × 2-Diffusionsmatrix. Die Vorzeichen der Soret- und Thermodiffusionskoeffizienten sind vom Trend her kompatibel mit den sogenannten Thermophobizitäten der Reinsubstanzen. Im Rahmen des Projekts erfolgte eine Beteiligung an einem Rundversuch, bei dem Resultate aus mehreren Laborexperimenten und Mikrogravitationsmessungen auf der ISS eine gute Übereinstimmung zeigten. Wichtigstes Resultat des Projekts ist sicher die Etablierung der gut funktionierenden Messtechnik Zweifarben-OBD für das Studium ternärer Mischungen. Darauf aufbauend wurden erste Messdaten erhalten, allerdings ist die gesamte Datenlage in der Literatur noch sehr dünn. Insbesondere gibt es noch viel zu wenige Daten für eine sinnvolle Weiterentwicklung der zugrundeliegenden Theorien. Die systematische Erweiterung der Datenbasis ist eine vordringliche, allerdings auch sehr arbeitsintensive Aufgabe. Die Hinweise auf die Übertragbarkeit des Thermophobizitätskonzepts auf ternäre Systeme sind sehr ermutigend. Zukünftige Experimente und die Weiterentwicklung der dazugehörigen Theorie erscheinen vielversprechend. Ein wichtiges langfristiges Ziel könnte hier die Rückführung der ternären Koeffizienten auf binäre und unäre Transportwärmen sein. Auch die Rolle der außerdiagonalen Diffusionskoeffizienten wurde noch nicht ausgiebig genug diskutiert. Von Interesse ist hier z.B. die Frage, inwieweit in einer A/B/C-Mischung der Transport einer Komponente (C) in einem effektiven Medium (A/B) behandelbar ist. Dieser Ansatz wurde implizit bereits für Polymerlösungen in gemischten Lösungsmitteln angewandt, bedarf jedoch noch einer eingehenden Untersuchung und Rechtfertigung. Als schwieriges Problem bei kommensurablen ternären Mischungen hat sich die sichere Separation der Diffusionseigenwerte erwiesen, wodurch die Bestimmung des kompletten Satzes an Transportkoeffizienten erschwert bis unmöglich gemacht wird. Dieses Problem ließe sich evtl. durch inkommensurable ternäre Mischungen, wie z.B. Polymere in gemischten Lösungsmitteln oder Polymermischungen in einem gemeinsamen Lösungsmittel, umgehen. Es darf erwartet werden, dass für derartige Systeme eine hinreichende zeitliche Separierung der Diffusionsmoden, und damit der Eigenwerte, stattfindet. Derartige Überlegungen werden z.Zt. für die geplante vierte Runde der DCMIX-Experimente auf der ISS angestellt. Auch hierfür wären ergänzende Laborexperimente von eminenter Wichtigkeit.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Measurement of diffusion and thermal diffusion in ternary fluid mixtures using a two-color optical beam deflection technique. J. Chem. Phys. 132, 174506 (2010)
  A. Königer, H. Wunderlich, W. Köhler
  
• A comprehensive study of diffusion, thermodiffusion, and Soret coefficients of water-isopropanol mixtures. J. Chem. Phys. 136, 244512 (2012)
  A. Mialdun, V. Yasnou, V. Shevtsova, A. Königer, W. Köhler, D. Alonso de Mezquia, M. M. Bou-Ali
  
• The isotope Soret effect in liquids: a quantum effect at room temperatures. Soft Matter 8, 1355 (2012)
  S. Hartmann, W. Köhler, K. I. Morozov
  
• Thermophobicity of liquids: heats of transport in mixtures as pure component properties. Phys. Rev. Lett. 109, 065901 (2012)
  S. Hartmann, G. Wittko, W. Köhler, K. I. Morozov, K. Albers, G. Sadowski
  
• Diffusion, thermal diffusion, Soret coefficients, and optical contrast factors of the binary mixtures of dodecane, isobutylbenzene, and 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene. J. Chem. Phys. 138, 114503 (2013)
  M. Gebhardt, W. Köhler, A. Mialdun, V. Yasnou, V. Shevtsova
  
• Benchmark values for the Soret, thermodiffusion and molecular diffusion coefficients of the ternary mixture tetralin+isobutylbenzene+ndodecane with 0.8-0.1-0.1 mass fraction. Eur. Phys. J. E 38, 30 (2015)
  M. M. Bou-Ali, A. Ahadi, D. Alonso de Mezquia, Q. Galand, M. Gebhardt, O. Khlybov, W. Köhler, M. Larranaga, J. C. Legros, T. Lyubimova, A. Mialdun, I. Ryzhkov, M. Z. Saghir, V. Shevtsova, S. Van Varenbergh
  
• Soret, thermodiffusion, and mean diffusion coefficients of the ternary mixture n-dodecane+isobutylbenzene+1,2,3,4-tetrahydronaphtalene. J. Chem. Phys. 143, 164511 (2015)
  M. Gebhardt, W. Köhler
  
• Thermophobicity of liquids: Heats of transport in mixtures as pure component properties – the case of arbitrary concentration. J. Chem. Phys. 141, 134503 (2015)
  S. Hartmann, G. Wittko, F. Schock, W. Groß, F. Lindner, W. Köhler, K. I. Morozov
  
• What can be learned from optical two-color diffusion and thermodiffusion experiments on ternary fluid mixtures? J. Chem. Phys. 142, 084506 (2015).
  M. Gebhardt, W. Köhler