Dr. Judith Wölk

Resonanzfrequenz eines Quarzkristalls in Kontakt mit wässrigen Suspensionen von Latexteilchen, Arbeitskreis Prof. Dr. D. Woermann, Köln, 1996.

Chem. Eng. Department Worcester Worcester Polytechnic Institute, Group of Prof.Dr. Barbara E. Wyslouzil, 1998-1999, MA USA.

Homogene Keimbildung von H₂O und D₂O, Köln, 2001 AK Prof. Dr. R. Strey

Prozesse wie Kristallisation, Kondensation, Schmelzen und Verdampfen sind Phasenumwandlungen erster Ordnung. Die Entstehung der neuen Phase verläuft dabei über die Bildung von Keimen. An diesen auch als Nukleation bezeichneten Prozess schließt sich das Wachstum der Keime an. Während letzteres durch die gängigen Theorien gut beschrieben wird, existiert noch keine allgemein gültige quantitative Beschreibung der Nukleation ? trotz einer über 100 Jahre währenden Forschung. Dabei ist für viele industrielle Prozesse, wie z.B. bei der Herstellung von Nanoteilchen, der Kristallisation zur Produktion von Zucker, Farbstoffen, Pharmazeutika, Silizium für die Herstellung von Solarzellen, etc. oder der Entstehung von Aerosolen in der Atmosphäre doch gerade die Nukleation der wichtigste Schritt. Häufig, aber nicht immer, finden diese Nukleationsprozesse an Staubteilchen, Oberflächen oder Fremdatomen statt, und man spricht dann von heterogener Nukleation. Findet die Keimbildung ohne solche Nukleationszentren statt, so liegt die sogenannte homogene Nukleation vor, die aber erst bei relativ hohen Übersättigungen der Dampfphase auftritt. Man muss wohl nicht betonen, dass eine präzise Vorhersage der Kondensationsphänomene Wolken, Nebel, Regen, Smog, Hagel usw. in der Atmosphäre von lebenswichtiger Bedeutung für uns alle ist. In jedem dieser Beispiele ist eine exakte Beschreibung und quantitative Kontrolle des Nukleationsprozesses eminent wichtig. Auch für den sicheren und effizienten Betrieb von Dampfturbinen ist es von großer Bedeutung, den genauen Beginn der Nukleation berechnen zu können, um Effizienzverluste und Schaufelerosion durch homogene Nukleation zu vermeiden. Um hier wirklich genaue Aussagen treffen zu können, ist ein umfassendes Verständnis des gesamten Kondensationsvorganges, d.h. der Nukleation und des Wachstums, erforderlich.

Ziel unserer Nukleationsforschung ist es also mit Hilfe möglichst einfacher Systeme diese Prozesse aufzuklären. Ein Schwerpunkt liegt dabei zum einen auf der experimentellen Untersuchung der Keimbildung durch Nukleationspulsexperimente. Hierbei werden die Systeme kurzzeitig in einen überkritischen Zustand gebracht, so dass Keimbildung auftritt. Die Entstehung der neuen Phase wird mit Konstantwinkel-Miestreuung (CAMS) detektiert. Auf diese Weise bestimmt können sowohl die Keimbildung als auch Wachstumskurven verschiedenster Substanzen und Mischungen aufgenommen werden.
Eine Kooperation mit Barbara Wyslouzil vom Worcester Polytechnic Institute (WPI) in Worcester, Massachusetts, macht es uns möglich Nukleationsexperimente mit einer Überschalldüse durchzuführen, wobei die entstandenen Aerosole mit Hilfe von Small Angle Neutron Scattering (SANS) am National Institute of Standards and Technology (NIST) untersucht werden. Durch eine Kombination der Nukleationspuls- und Überschalldüsenexperimente ist es möglich geworden den Messbereich deutlich zu erweitern.
Eine Maßnahme, um diese experimentellen Informationen für Theoretiker noch transparenter zu machen, ist die Untersuchung der Nukleation von Argon. Dafür wurde eine neue Tieftemperatur - Nukleationspulskammer konstruiert. Im Gegensatz zu anderen Substanzen sind hier die interatomaren Potentiale gut bekannt, so dass sowohl eine Weiterentwicklung der analytischen Theorie durch Dichtefunktionale als auch die direkte molekular-dynamische Simulation möglich sind.
Eine weitere Forschungsrichtung ist die Untersuchung des inversen Nukleationsprozesses, der Blasenbildung in Fluiden. Hier wird an einfachen Modellsystemen wie Hexadecan - CO₂ die Blasenbildungstheorie getestet. Die Blasenbildung ist ein wichtiges technisches Phänomen. So ist die Kontrolle der Nukleation relevant für Blasengrößen in jeder Art von Schaumstoffen. Aber auch ungewollte Phänomene, wie das plötzliche Aufschäumen von Bier, das "gushing", oder die Schaumbildung von CO₂ und Methan in der Erdölförderung sind bisher ungelöste Aufgaben, deren wissenschaftliche Klärung ich im Visier habe.