Die Quarzmikrowaage: Eine neue Meßtechnik zur in‐situ‐Untersuchung des Phasengrenzbereiches fest/flüssig

Abstract Als im Altertum König Hieron von Syrakus Archimedes vor die Frage stellte, ob ein für ihn handgearbeitetes Stirnband aus purem Gold gefertigt wurde, befestigte dieser das Stirnband und einen Klumpen aus purem Gold gleicher Masse an den Enden einer Balkenwaage und tauchte beide Gegenstände ins Wasser. Bekanntlich hob sich die Seite des Wägebalkens aus der Flüssigkeit, an der das Stirnband befestigt war. Dies war der Beweis dafür, daß der Goldschmied dem Schmuckstück Silber zugemischt hatte (Prinzip des Archimedes). Das klare und eindeutige Ergebnis des einfachen Experiments verdeutlicht die physikalische Integrität dieses klassischen Meßprinzips, das auf einer Gewichtsänderung beruht. Der Wägetechnik, über die in diesem Artikel berichtet wird, liegt zugrunde, daß die Änderung der Resonanzfrequenz eines Schwingquarzes quantitativ mit einer Massenänderung im Nanogrammbereich korreliert werden kann. Dies gilt auch für Quarzresonatoren, deren eine Seite mit einer Flüssigkeit in Kontakt steht. Nehmen wir an, daß die bei der Überprüfung von Hierons Schmuckstück beobachtete Gewichtsänderung etwa einige hundert Gramm betrug, so entspricht diese Gewichtsdifferenz einer Anzahl von etwa 10 25 Wassermolekülen. Verwendet man die Quarzmikrowaage zur Untersuchung des Lösungsmitteltransports innerhalb dünner Schichten, so können Wassereinlagerungen bis zu 10 14 Molekülen verfolgt werden. Bei der Untersuchung von Adsorbatschichten können Veränderungen bis zu 0.02 Monolagen detektiert werden. Beide Resultate belegen überzeugend, daß mit dieser in‐situ‐Technik Oberflächenprozesse am Übergang fest/flüssig mit mikroskopischer Auflösung verfolgt werden können. Die in‐situ‐Schwingquarzmethode läßt sich auf viele Fragestellungen aus unterschiedlichen Bereichen der Forschung und Entwicklung erfolgreich anwenden.