Mechanochemie

Mechanochemie bezeichnet ein Teilgebiet der physikalischen Chemie, welches sich mit dem chemischen Verhalten von Stoffen unter mechanischer Einwirkung befasst. Eine ältere Definition stammt von Wilhelm Ostwald (1919): „Mechanochemie ist die Lehre von den Beziehungen der mechanischen Energieformen zur chemischen Energie.“

Ein wichtiges Teilgebiet der Mechanochemie ist die Tribochemie (griechisch tribein = reiben), die sich mit der Änderung des chemischen Verhaltens von Festkörpern durch mechanische Einwirkung auf ihre Grenzflächen befasst. Verwandte Disziplinen sind die Tribologie, Tribophysik, Oberflächenchemie und die Oberflächenphysik.

Als Begründer der Mechanochemie gilt Matthew Carey Lea (1882).

Mechanismen

Durch mechanische/physikalische Kräfte kommt es zu strukturellen Veränderungen der Oberfläche: Oberflächenvergrößerungen, Verringerung von Teilchengrößen, Entstehung frischer Oberflächen, Materialabrieb und teilweise auch Phasenumwandlungen. Auf mikroskopischer Ebene gibt es hochangeregte Gitterschwingungen, die thermisch nicht auftreten würden. Das ermöglicht exotische chemische Reaktionen sowie die Emission von Photonen, Elektronen und Gitterkomponenten.

Molekulare Nanotechnik

Im Jahre 1998 gelang es Wilson Ho von der Cornell-Universität, einzelne Eisenmonocarbonyl- (FeCO) und Eisendicarbonylmoleküle (Fe(CO)2) aus Eisenatomen (Fe) und Kohlenmonoxid (CO) mit dem Rastertunnelmikroskop zusammenzubauen.[1]

Anwendungen

In den Technikwissenschaften werden die Mechanismen der Mechanochemie zusammenfassend als mechanische Aktivierung bezeichnet[2]. Durch die hohe mechanische Energiedichte aus Normal- und Reibstoß der Mahlkörper im Mahlraum von Schwingmühlen[3] wird beispielsweise das Löseverhalten der zu mahlenden sulfidischen Rohstoffe derart verbessert, dass der Einsatz der Schwingmahlung bei der Aufbereitung schwerlösbarer Erze technisch interessant wird[4]. So befasste sich Eberhard Gock und sein Forschungsteam an der TU Berlin und später der TU Clausthal systematisch mit der Nutzung der mechanischen Aktivierung durch Steigerung der Effizienz von Schwingmühlen u. a. für die Substitution pyrometallurgischer durch hydrometallurgische Verfahren. Ein anderes Anwendungsbeispiel ist die Mahlung von Zinkoxid-Asche: Die Besonderheit bei der Mahlung von Zinkoxid-Asche besteht darin, dass die Mahlgut-Aufgabe eine Temperatur bis 100 °C haben kann. Zinkoxid wird als Spurennährstoff in der Futtermittelindustrie eingesetzt. Mit der in den 1990er Jahren entwickelten Exzenter-Schwingmühle kann durch mechanische Aktivierung die Wasserlöslichkeit von bisher 54 % bei herkömmlicher Mahlung auf mehr als 75 % gesteigert werden[5].

Literatur

  • Zory Vlad Todres: Organic Mechanochemistry and Its Practical Applications. CRC Press, 2006, ISBN 0-8493-4078-0.
  • Cleopatra Vasiliu-Oprea, Florin Dan: Macromolecular Mechanochemistry. Cambridge International Science Publishing, 2007, ISBN 978-1-904602-54-5.
  • Stephan Kipp, Vladimir Šepelák, Klaus Dieter Becker: Mechanochemie. Chemie mit dem Hammer. In: Chemie in unserer Zeit. 39, Nr. 6, 2005, S. 384–392, doi:10.1002/ciuz.200500355.
  • Peter-Adolf Thiessen, Klaus Meyer und Gerhard Heinicke: Grundlagen der Tribochemie, Akademie Verlag, Berlin (DDR), 1967

Einzelnachweise

  1. ↑ Eine Anwendung der Mechanochemie: Charles Day: Creating and Characterizing Individual Molecular Bonds with a Scanning Tunneling Microscope. In: Physics Today On The Web. Abgerufen am 14. Mai 2010.
  2. ↑ Eberhard Gock, Karl-Eugen Kurrer: Effizienzsteigerung des Schwingmahlprozesses mit der Exzenter-Schwingmühle. In: Aufbereitungs-Technik 39 (1998), Nr. 3, S. 103–111 (hier: S. 111).
  3. ↑ Karl-Eugen Kurrer: Zur inneren Kinematik und Kinetik von Rohrschwingmühlen, Fortschritt Berichte VDI, Reihe 3: Verfahrenstechnik Nr. 124, VDI-Verlag Düsseldorf 1986, S. 44ff., ISBN 3-18-142403-X
  4. ↑ Eberhard Gock: Beeinflussung des Löseverhaltens sulfidischer Rohstoffe. durch Festkörperreaktionen bei der Schwingmahlung, Habilitationsschrift TU Berlin 1977, S. 31
  5. ↑ Eberhard Gock, Karl-Eugen Kurrer: Eccentric vibratory mills – theory and practice. In: Powder Technology 105 (1999), pp. 302–310 (hier: p. 308f)