Das Phänomen der Kontaktaufladung

Kleine Vorgeschichte....

Unter Kontaktaufladung bzw. elektrostatischer Aufladung versteht man den Ãœbergang einer Ladung von Material A auf Material B bei Kontakt dieser beiden Materialien.
Das Phänomen der elektrostatischen Aufladung bei Kontakt zweier Materialien erkennt man im Alltag typischerweise erst, wenn sie sich entlädt. Das "ping" beim Griff an die Türklinke oder etwa die Papierschnipsel, die ein Stück geriebener Bernstein - der im griechischen "Elektron" heißt - anzieht, all das sind harmlose Beispiele des gleichen Phänomens.
Die erste uns bekannte Beschreibung dieser ersten Elektrizitätsform stammt ebenfalls aus Griechenland: von dem etwa 600 v. Chr. lebenden Naturphilosophen Thales von Milet. Von ihm stammt auch die Bezeichnung Elektrostatik - ruhende Elektrizität.

---

Das Elektrostatische Trennverfahren

Der im alltäglichen Leben eher störende Effekt der Kontaktaufladung wird großtechnisch von der K+S Gruppe ausgenutzt, um z.B. Gemische bestehend aus Salzen oder gar Kunststoffen im "Plattenkondensator" voneinander zu trennen.

In Form einer Industriekooperation mit der K+S Gruppe haben wir uns in den letzten Jahren intensiv mit oberflächenpysikalischen Methoden diesem Phänomen näher gewidmet. Ausgehend von den Beobachtungen, die im großtechnischen Betrieb gemacht wurden, ist das Problem der Salztrennung am Beispiel von NaCl und KCl im Labor experimentell mittels Photoelektronen- und Energieverlustspektroskopie untersucht worden.

Um dabei beispielsweise Salze effektiv im Trennscheider zu separieren, sind entsprechende Vorbehandlungen notwendig. So muss das grobkörnige NaCl/KCl Gemisch weiter gemahlen werden bevor zusätzlich ein sog. Konditionierungsmittel dem Mahlgut beigegeben wird. Im Falle des NaCl/KCl Problems gelingt dabei eine Trennung mittels der Beigabe geringster Mengen von Salizylsäure, während (interessanterweise) die dazu mesomere Para-Salizylsäure keine Trennwirkung der Salze im Trennschieder aufweist. Da bereits geringste Mengen organischer Moleküle den Effekt der Kontaktaufladung ermöglichen, handelt es sich dabei im wesentlichen um einen Einzelmoleküleffekt.

---

Kontaktaufladung im Labor

Innerhalb unseres Modells zur Kontaktaufladung geht dabei ein Elektron vom NaCl zum KCl über. Die hierfür nötigen freien Ladungen können allerdings thermisch wegen der großen Bandlücke beider Alkalihalogenide thermisch nicht generiert werden. Wie unsere Untersuchungen gezeigt haben, ändert sich dieser Sachverhalt dramatisch, wenn sowohl Defekte als auch das Konditionierungsmolekül mitberücksichtigt werden. Durch die elektronischen Zustände des Moleküls wird die Bandlücke (im oberflächennahen Bereich) stark reduziert, so dass sich sehr wohl thermisch freie Ladungsträger generieren lassen.

Um stabile Oberflächenpotentiale der Isolatoren in Zusammenhang mit der verwendeten Elektronenspektroskopie zu gewährleisten, sind für die Untersuchungen eptaktisch, im Ultrahochvakuum gewachsene Isolatorfilme (NaCl(100) und KCl(100)) benutzt worden. Die Experimente haben dabei gezeigt, dass hinsichtlich der elektronischen Bandstruktur, bereits Schichtdicken von 4 Monolagen dieselben Eigenschaften aufweisen, wie die der entsprechenden Einkristalle.
In Anlehnung an die Beobachtungen bezüglich des Verhaltens bei der industriellen Salztrennung, sind dabei innerhalb dieses Projektes in einer ersten Phase Defekte bzw. Defektstrukturen der Alkalihalogenidschichten intensiv studiert worden (Entstehungsmechanismus, Manipulation, elektronische Struktur, chemisches Verhalten). Insbesondere wurden dabei Farbzentren, Stufen und modulierte NaCl-Filme näher untersucht mit der Beugung langsamer Elektronen (LEED), der Rastertunnelmikroskopie (STM), der thermischen Desorptionsspektroskopie (TDS) und den bereits oben erwähnten Methoden der Elektronenspektroskopie. Im Hinblick auf Änderungen im optischen Absorptionsverhalten und Änderungen der chemischen Reaktivität der ansonsten inerten Isolatoroberflächen sind insbesondere die Farbzentren hervorzuheben, wie beispielweise die dissoziative Adsorption von Wasser an den geschädigten Flächen zeigt.
Im Falle der für den Trennungsprozess relevanten organischen Moleküle konnte gezeigt werden, dass die Defekte (Farbzentren) eine sekundäre Rolle spielen, da sie in erster Linie "nur" für die chemische Bindung der Moleküle an die Alkalihalogenidoberflächen verantwortlich sind. Die Trennungseffizienz selbst ist dabei in erster Linie bestimmt durch die elektronische Struktur der Moleküle.
Um die für den Prozess relvanten Zustände der Moleküle näher zu bestimmen, sind ergänzend zu den Messungen erste Gaussian DFT Rechnungen durchgeführt worden.