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Siegel der Universität
Department für Chemie - Arbeitsgruppe Prof. Strey

Dr. Judith Wölk

Institut für Physikalische Chemie
Universität zu Köln
Luxemburger Str. 116
D-50939 Köln

Tel.: +49-(0)-221-470-6308
Fax: +49-(0)-221-470-5104

email:  judith.woelk(at)uni-koeln.de

Arbeitsgebiet: Keimbildung

Diplomarbeit

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

Auslandsaufenthalt

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

Dissertation

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

Forschungsthema

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.

 

Publikationen

[1]
J. Bell (jetzt Wölk), T. Köhler, D. Woermann
Change of the Resonance frequency of a Quartz Crystal Microbalance in Contact with an Aqueous Dispersion of Solid Particle
Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 101, 879 (1997).

[2]
J. Wölk, R. Strey
Homogeneous Nucleation Rates for Water, Nucleation and Atmospheric Aerosols
15th International Conference, Rolla, MI, Aug. 6-11, (2000); AIP: Melville, NY (2000).

[3]
C.H. Heath, K.A. Streletzky, J. Wölk, B.E. Wyslouzil, R.Strey
D2O-H2O Condensation in Supersonic Nozzles: I. Experiment, Nucleation and Atmospheric Aerosols
15th International Conference, Rolla, MI, Aug. 6-11, (2000); AIP: Melville, NY (2000).

[4]
K. Iland, J. Wölk, R. Strey
A new Nucleation Pulse Technique: Homogeneous Nucleation of 1-butanol, European Aerosol Conference, Leipzig, Sept. 3-7, J. Aerosol. Sci. 32, S105 (2001).

[5]
J. Wölk and R. Strey
Homogeneous Nucleation of H2O and D2O in Comparison: The Isotope effect
J. Phys. Chem., 105, 11683 (2001).

[6]
J. Wölk, R. Strey, C.H. Heath and B.E. Wyslouzil
Empirical function for homogeneous water nucleation rates
J. Chem. Phys., 117, 4954 (2002).

[7]
C. H. Heath, K.A. Streletzky, B. E. Wyslouzil, J. Wölk, and R. Strey
H2O-D2O Condensation in a supersonic nozzle
J. Chem. Phys., 117, 6176 (2002).

[8]
C. H. Heath, K. Streletzky, and B. E. Wyslouzil, J. Wölk and R. Strey
Small angle neutron scattering from D2O-H2O nanodroplets and binary nucleation rates in a supersonic nozzle
J. Chem. Phys., 118, 5465 (2003).

[9]
Y. Kim, B.E. Wyslouzil, G. Wilemski, J. Wölk, and R. Strey
Isothermal Nucleation rates in supersonic nozzles and the properties of small water clusters
J. Phys. Chem., 108 (20), pp. 4365-4377 (2004).

[10]
K. Iland, J. Wedekind, J. Wölk, P.E. Wagner and R. Strey
Homogeneous nucleation rates of 1-pentanol
J. Chem. Phys., 121 (20), pp. 12295-12264 (2004).

[11]
J. Wölk, B.E. Wyslouzil, R. Strey
Homogeneous Nucleation Rates of Water:
State of the Art
Proceedings of the 16th International Conference on Nucleation and Atmospheric Aerosols, July 26-30, 2004, Kyoto, Japan (2004).

[12]
J. Wedekind, K. Iland, J. Wölk, P.E. Wagner, and R. Strey
Homogeneous Nucleation of 1-Alcohol Vapors
16th International Conference on Nucleation and Atmospheric Aerosols, July 26-30, 2004, Kyoto, Japan (2004).

[13]
B.E. Wyslouzil, R. Strey, J. Wölk, G. Wilemski, Y. Kim
Homogeneous nucleation rate measurements and the properties of critical clusters
Nucleation and Atmospheric Aerosols, 17th International Conference, Galway, Ireland (2007); pp. 3, Springer Verlag (2007).

[14]
K. Iland, J. Wölk, D. Kashchiev, and R. Strey
Argon nucleation in a cryogenic nucleation pulse chamber
Nucleation and Atmospheric Aerosols, 17th International Conference, Galway, Ireland (2007); pp. 162, Springer Verlag (2007).

[15]
G. Chkonia, J. Wedekind, J. Wölk, and R. Strey
Heterogenous nucleation of Nitrogen
Nucleation and Atmospheric Aerosols, 17th International Conference, Galway, Ireland (2007); pp. 250, Springer Verlag , (2007).

[16]
D. Bergmann, D. Ghosh, J. Wölk, R. Strey, S. Tanimura, B.E. Wyslouzil
Homogenous nucleation of the n-alkanes in a supersonic nozzle
Nucleation and Atmospheric Aerosols, 17th International Conference, Galway, Ireland (2007); pp. 255, Springer Verlag (2007).

[17]
A. Manka, D. Bergmann, D. Ghosh, J. Wölk, R. Strey
Preliminary Results on Homogeneous Nucleation of Water: A Novel Measurement Technique using the Two Valve Expansion Chamber
Nucleation and Atmospheric Aerosols, 17th International Conference, Galway, Ireland (2007); pp. 260, Springer Verlag (2007).

[18]
K. Iland, J. Wölk, D. Kashchiev, and R. Strey
Argon nucleation in a cryogenic nucleation pulse chamber
J. Chem. Phys., 127, pp. 154506 (2007).

[19]
J. Wedekind, J.Wölk, D. Reguera, and R. Strey
Nucleation rate isotherms of argon from molecular dynamics simulations
J. Chem. Phys., 127, pp. 154515 (2007).

[20]
V.I. Kalikmanov, J. Wölk, T. Kraska
Argon nucleation: bringing together theory, simulation and experiment
J. Chem. Phys., 128, pp. 124506 (2008).

[21]
K. Iland, J. Wedekind, J. Wölk, and R. Strey
Homogeneous Nucleation of Nitrogen
J. Chem. Phys., 130, 114508 (2009).

[22]
G. Chkonia, J. Wölk, R. Strey, J. Wedekind, and D. Reguera
Evaluating nucleation rates in direct simulations
J. Chem. Phys., 130, 064505 (2009).

[23]
J. Wedekind, G. Chkonia, J. Wölk, R. Strey, D. Reguera
Crossover from nucleation to spinodal decomposition in a condensing vapor
J. Chem. Phys., 131, 114506 (2009).

[24]
D. Bergmann, D. Ghosh, J. Wölk, R. Strey, S. Tanimura, and B. E. Wyslouzil
The Sensitivity of n-Alkane Nucleation Data to Thermophysical Property Correlations
Nucleation and Atmospheric Aerosols, 18th International Conference, Prague, Czech Republic, pp. 667, (2009).

[25]
G. Chkonia, J. Wölk, J. Wedekind, D. Reguera, and R. Strey
Evaluating Nucleation Rates In Direct Simulations
Nucleation and Atmospheric Aerosols, 18th International Conference, Prague, Czech Republic, pp. 581, (2009).

[26]
D. Reguera, J. Wedekind, G. Chkonia, J. Wölk, and R. Strey
Nucleation at extreme supersaturations
Nucleation and Atmospheric Aerosols, 18th International Conference, Prague, Czech Republic, pp. 611, (2009).

[27]
S. Sinha, A. Bhabhe, H. Laksmono, J. Wölk, R. Strey, and B.E. Wyslouzil
Argon nucleation in a cryogenic supersonic nozzle apparatus
Nucleation and Atmospheric Aerosols, 18th International Conference, Prague, Czech Republic, pp.468, (2009).

[28]
J. Wölk, J. Wedekind, R. Strey, B.E. Wyslouzil
Argon: How do we interpret the Behavior of the Simplest Substance?
Nucleation and Atmospheric Aerosols; 18th International Conference on Nucleation and Aerosols; Prague, Czech Republic, pp. 589, (2009).

[29]
D. Ghosh, D. Bergmann, R. Schwering, J. Wölk, R, Strey, S. Tanimura, and B.E. Wyslouzil
Homogeneous nucleation of a homologous series of n-alkanes (CiH2i+2, i=7–10) in a supersonic nozzle
J. Chem. Phys. 132, 024307 (2010).

[30]
S. Sinha, A. Bhabe, H. Laksmono, J. Wölk, R. Strey, and B.E. Wyslouzil
Argon nucleation in a cryogenic supersonic nozzle
J. Chem. Phys. 132 (6), pp. 064304 (2010).

[31]
A.A. Manka, D. Brus, A.-P. Hyvärinen, H. Lihavainen, J. Wölk, R. Strey
Homogeneous water nucleation in a laminar flow diffusion chamber
J. Chem. Phys. 132, 244505(2010).

[32]
A.A. Manka, H. Pathak, S. Tanimura, J. Wölk, R. Strey, and B. E. Wyslouzil
Freezing water in no-man’s land
Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 4505 (2012).

[33]
A.A. Manka, J. Wedekind, D. Ghosh, K. Iland, J. Wölk, and R. Strey
Nucleation of ethanol, propanol, butanol and pentanol – a systematic experimental study along the homologous series
J. Chem. Phys. 137 , 054316 (2012).

[34]
L. M. Feldmar, J. Woelk, R. Strey
New Measurements of Argon and Nitrogen Nucleation in the Cryogenic Nucleation Pulse Chamber
Nucleation and Atmospheric Aerosols; 19th International Conference on Nucleation and Aerosols; Fort Collins, Colorado, USA 2013, AIP Conference Proceedings, 1527, p. 15-18, (2013).

[35]
J. Wölk, B. E. Wyslouzil, and R. Strey
Homogeneous nucleation of water: From Vapor to Supercooled Droplets to Ice
Nucleation and Atmospheric Aerosols; 19th International Conference on Nucleation and Aerosols; Fort Collins, Colorado, USA 2013, AIP Conference Proceedings, 1527, p. 55-62, (2013).

[36]
H. Pathak, J. Wölk, R. Strey and B.E. Wyslouzil
Co-condensation of Nonane and D2O in a Supersonic Nozzle,
Nucleation and Atmospheric Aerosols; 19th International Conference on Nucleation and Aerosols; Fort Collins, Colorado, USA 2013, AIP Conference Proceedings, 1527, p. 51-54, (2013).

[37]
H. Pathak, J. Wölk, R. Strey and B. E. Wyslouzil
Co-condensation of Nonane and D2O in a supersonic nozzle
J. Chem. Phys. 140, 034304 (2014).