E5 Diffusion und Ionenmobilität (gemischter alkalischer Effekt)

Thema

Der Ionentransport in diesem Glas folgt mathematisch dem gleichen Rahmen, der bereits für denselben Zweck in einem anderen Modell dieser Reihe verwendet wurde, nämlich dem Modell für den Ionentransport in einer Keramik: der Nernst-Einstein-Gleichung, welche den Diffusionskoeffizienten jedes mobilen Ions mit der von diesem Ion erzeugten Ionenleitfähigkeit verknüpft, und der Arrhenius-Gleichung, die beschreibt, wie diese Ionenleitfähigkeit mit der Temperatur zunimmt. Da dieses Glas die gleiche mathematische Form wie die Keramik aufweist, führt in beiden Fällen eine Temperaturerhöhung gemäß der Arrhenius-Gleichung zu einem vergleichbaren Anstieg der Ionenleitfähigkeit.

Enthält dieses Glas ein einzelnes Alkalioxid als Träger der mobilen Ionenladung, wird seine Ionenleitfähigkeit ausschließlich durch die Konzentration und Mobilität dieses Alkaliions im Kristallgitter bestimmt. Diese reine Ionenleitfähigkeit dient als Referenzwert, mit dem jede andere Zusammensetzung desselben Glases verglichen wird. Die Tatsache, dass dieses Glas nur eine Art von Alkalimetallionen enthält und nicht ein Gemisch mehrerer, führt dazu, dass seine Ionenleitfähigkeit nahe an der von reinen Alkalimetallionen liegt, ohne zusätzliche Anomalien.

Enthält dieses Glas jedoch ein Gemisch aus zwei verschiedenen Alkalimetalloxiden und nicht nur einem, so liegt seine Ionenleitfähigkeit nicht mehr auf der erwarteten linearen Interpolation der Ionenleitfähigkeiten der einzelnen Alkalimetalloxide, sondern deutlich darunter: Diese anomale und ausgeprägt nichtlineare Reduktion der Ionenleitfähigkeit ist genau der Mischalkalieffekt. Dass das Verhältnis der beiden Alkalimetalloxide eher einem 1:1-Gemisch entspricht, anstatt von einem einzigen dominiert zu werden, verstärkt diesen Mischalkalieffekt typischerweise und führt dazu, dass die Ionenleitfähigkeit noch weiter unter die erwartete lineare Interpolation fällt.

Dieses Modell, mit dem der Ionentransport und der Mischalkalieffekt beschrieben wurden, weist daher auf eine Anomalie hin, die für dieses Glas im Vergleich zu einer kristallinen Keramik charakteristisch und unverwechselbar ist: Dass diesem Glas die strukturelle Periodizität fehlt, die diese Keramik aufweist, bedeutet, dass die Mischung zweier verschiedener Alkalioxide, die sich innerhalb desselben ungeordneten Netzwerks bewegen, sich gegenseitig auf eine Weise beeinflusst, die die entsprechende Mischung innerhalb eines periodischen kristallinen Netzwerks nicht reproduziert, und dass diese Interferenz letztendlich jenen Mischalkalieffekt erzeugt, für den es in jener kristallinen Keramik kein Gegenstück gibt.

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