Name:                           Josef Rudolf Tomiska Akad.Grad,Titel:          Dr., A.o. Univ.-Prof. Staatsangehörigkeit: Österreichisch   Reifeprüfung:             12. Juni 1965,                                         Bundesrealschule Wien 5. Studium:                       1965-1973, Universität Wien:                                          Theoretische Physik,                                          Mathematik (Nebenfach). Promotion:                   10. Juli 1973,                                           Universität Wien, Dr. phil. Habilitation:                  5. Nov.1986 zum Dozenten                                          für Physikalische Chemie                                           an der Universität Wien A.o. Univ.-Prof:            22. Feber 1993

Meine Arbeitshobbies:

1) Die Philosophie, insbesondere die Metaphysik und die Frage Gottes.:      "Naturwissenschaft und Gott" - Eröffnungsvortrag des Konrad-Däubler-Symposiums "Von der göttlichen Schöpfung bis zur Genmanipulation" ("Bad Goisern, 1999).      "Gott - Physikalisch betrachtet" Eingeladener Vortrag im Seminar aus nuklearer Astrophysik (Technische Universität Wien, 2001)     "God and Modern Physics" (New York State University, 1997) "Naturwissenschaft und Gott", "Gott und die moderne Physik", "Gott in der Naturwissenschaft", ...: Zahlreiche Vorträge und Kurse an der Universität Wien, im Rahmen von "University Meets Public", in Pfarren und im MKV- und CV-Verbindungen.

2) Der Aufbau einer modernen, möglichst widerspruchsfreien Weltanschauung.

3) Die Übersetzung der modernen physikalischen Theorien in eine verständliche Sprache, um ihre Einbindung in das allgemeine Geistesleben zu ermöglichen.

4) Zukunftsgedanken:  Aufbruch ins Dritte Jahrtausend.                                 Religiöse Erwachsenenbildung - Sinn oder Unsinn.                                  Wieviel Angst mussen wir vor der Zukunft haben? (Jetzt: Kurs im Rahmen von UMP)

5) Bildungspolitik

6) Seit Mai 2001 Vorsitzender des Wissenschaftszirkel der Wiener Universitätslehrer (ÖCV)

 

Frühere Beschäftigungsverhältnisse:

1) Karenzzeiten am Max-Planck-Institut für Metallforschung (Prof. Dr. B. Predel, Stuttgart, B.R.D):      Juli 1982 bis März 1983 sowie in den Jahren 1976, 1985, 1990, 1991 und 1993 bis 1996 je 1 Monat.

2) 6 Wochen Mitarbeit in der Wissenschaftsredaktion des ORF (1992).

3)  Während meiner Schul- und Studentenzeit:      (ii)  6 Ferialpraktika: Zweimal Galvaniseur-Hilfsarbeiter, Elektromonteur bei Schrack sowie in der Motorenentwicklung bei            KHD (Köln), Elektronikabteilung der Elin (Wien) und in der Technischen Direktion der ÖMV (Schwechat/Wien);      (ii)  8 Jahre Reiseleiter bei studentischem Reisedienst; 1 Monat Hotelmanager in Innsbruck;      (iii) 3 Jahre Lehrer an Abend-Maturaschule (Philosophie, Physik, Mathematik); 15 Jahre Nachhilfelehrer.

 

Sonstiges: 1) Enge wissenschaftliche Zusammenarbeit:  (i) Seit 1976 mit dem Max-Planck-Institut für Metallforschung (Prof. Dr. B. Predel und Dr. R. Lück, Stuttgart, B.R.D). (ii) Seit der Ostöffnung 1990 mit dem Institut für Theoret. u. Phys. Chemie der Masaryk-Universität Brno        (Prof. RNDr. J.    Vrestal, Brno, CFR). 2) Zahlreiche Vorträge, Beteiligungen an Konferenzen im In- und Ausland und Besuche ausländischer Forschungseinrichtungen.       1997 Gastvorlesung in Brünn über „Grundlagen der modernen Quantenmechanik“. 3) Seit 1998 Mitwirkender an der neugeschaffenen Aktion „University meets public“:     Mehrere Allgemeinverständliche Kurse über moderne Naturwissenschaft.    Kinderuniversität 4) Beteiligung an Wissenschaftsmessen (durch den FWF):  (i)  "Annual World Fair for Technology Exchange", Orlando 1983 (U.S.A.); (ii)  TECHNOVA, Graz 1988; (iii) WorldTECH Vienna, Wien 1989. 5) Erfindungen: (i)   Torkometer - Automatische TORKER-Apparatur (TORsion Knudsen Effusion Recoil) (ii)   PENKER - Technik (PENdulum Knudsen Effusion Recoil)

6) Neueingeführte Formeln und Formalismen: (i)   Verallgemeinerung der Ionenquellen-Gleichung für alle Probentypen. (ii)   Verallgemeinerung der Kalorimeter-Gleichung für Proben mit nicht mehr vernachlässigbaren ,Abdampfraten. (iii)  Gemeinsamer Beschreibungsformalismus für das thermodynamische Mischungsverhalten von allen Typen mehrkomponentiger Systeme,        inklusive flüssiger Mischungen mit Nahordnungsstruktur.

7) Reparatur und Umbau (1980-1983) sowie  Automatisierung (1988, 1991) eines Massenspektrometers für die Kombination mit einer      Hochtemperatur-Knudsenzelle am Inst. für Phys. Chemie,      und Konzepterstellung (1990/92) für den erfolgrreichen Umbaues eines Knudsenzellen-Monopolmassenspektrometers in Brünn (CSFR).

 

Lehre   Lectures

Forschung   Research

Allgem.  Arbeiten

J. Tomiska

Phys. Chemie

Universität Wien

© J.Tomiska, Univ. of Vienna, Inst. of Phys. Chemistry, A-1090 Vienna, AUSTRIA.
 

Mein wissenschaftlicher Werdegang ist für einen Physiko-Chemiker deutlich unüblich, aber vermutlich eben deshalb auch für das Fach befruchtend, denn es kommen dadurch andere Blickwinkel, Erfahrungen und Kenntnisschienen dazu, die mithelfen können, die Verständlichkeit der Physikalischen Chemie zu verbessern und ihre zentrale Bedeutung auch Außenstehenden gegenüber besser zu artikulieren.

Ich stamme aus einer akzentuierten Technikerfamilie, wurde daher stark auf praktische Erfordernisse hinorientiert, mit Problemen der technischen Umsetzung wissenschaftlicher Theorien konfrontiert und mußte mir eine große Fülle technischer insbesondere auch handwerklicher Fertigkeiten aneignen. Das war wohl eine der wichtigsten Prägungen, die mich in den siebziger und Anfang der achtziger Jahre in die Lage versetzten, (i)  meine Knudsen-Torsionsapparatur technisch entscheidend zu verbessern (Empfindlichkeitssteigerung um Faktor 500 und gleichzeitig höhere Stabilität), (ii) eine neue automatische Nullmethode - das TORKOMETER - zu entwerfen, (iii) mit der PENKER-Methode eine neue Druckmeßmethode in die Literatur einzuführen und (iv) auf Anordnung ein organisches Massenspektrometer für den Einsatz in der Hochtemperaturthermodynamik höchst erfolgreich umzubauen. Bei letzterer Arbeit half mir Ing. Fiedler von der Internationalen Atomenergie-Kommission. Sowohl die PENKER-Methode als auch das TORKOMETER wurden auf der "Annual World Fair for Technology Exchange 1983" (Tech Ex'83) in Orlando, Florida (U.S.A.), durch den "Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung in Österreich" ausgestellt.

2.1 Wissenschaftliche Formung.

2.2 Meine gegenwärtige Position.

2.3 Wissensvermittlung.

2.4 Wissenschaftliche Arbeiten.

Das wissenschaftliche Rüstzeug holte ich mir in den Jahren bis 1985 bei einer Reihe wissenschaftlicher „Päpste ihrer Zunft“ die mir erlaubten, sie zu besuchen und aus ihrem Erfahrungsschatz zu lernen: Prof. Kubaschewski und Dr. Spencer (Aachen, D) für Praktische Problemlösungsstrategien in der Angewandten Thermodynamik, Prof. Schneider von der „Heißen Chemie“ der Kernforschungsanlage Jülich GmbH., Dr. Pratt (Birmingham, U.K.) und Dr. Hayes (Manchester, U.K.) Feinheiten der Knudsenmethodik, und für die Massenspektrometrie bei Prof. Drowart (Brüssel, Belgien), Prof. Weil (Darmstadt, B.R.D.) und Prof. Argent (Sheffield, U.K.).

Und natürlich Prof. Dr. B. Predel (Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart, D), mit dem sich nach meinem ersten Besuch (1976) bis zu seiner Emeritierung eine langjährige wissenschaftliche Zusammenarbeit entwickelte (zusammen mit meinem Freund Dr. R. Lück), die sich insbesondere auf kalorimetrische Messungen an Legierungssystemen mit nicht mehr vernachlässigbaren Verdampfungsraten, und Untersuchungen an flüssigen Legierungen mit Nahordnungstendenz konzentrierte. Am MPI hatte ich genügend Gelegenheiten, mich auch mit den Arbeitstechniken der verschiedenen anderen Forschungsgruppen vertraut zu machen. In einer Reihe weiterer, aber kürzeren Institutsbesuchen im In- und Ausland – sowohl im Westen wie im damaligen Ostblock - erweiterte ich meinen Wissens- und Erfahrungshorizont über die Arbeitstechniken meines Forschungsgebietes.

Ich habe Theoretische Physik und Mathematik an der Universität Wien studiert (Schwerpunkt Relativitätstheorie), wechselte aber für meine Doktorarbeit in die Physikalische Chemie hinüber, um die Chancen auf einen Arbeitsplatz zu verbessern, nachdem das vorzeitige Stoppen des NASA-Mondprogramms eine enorme Entlassungswelle an Physikern zu verursachen begonnen hatte. Formal unter der Leitung von Prof. Lindner, de facto unter Prof. Nowotny dissertierte ich unter der Betreuung des damals noch Dozenten Neckel über „Dampfdruckmessungen an Zweistofflegierungen nach der Knudsen-Torsionsmethode.“ Prof. Dr. A. Neckel war anschließend mein hauptsächlicher akademischer Lehrer.

Seit 1974 arbeite ich auf dem Gebiet der Knudsenzellen-Massenspektrometrie. 1975 war ich bereits sosehr Physiko-Chemiker, daß ich massivem Drängen meines Firmpaten Dr. Igler  (damals Präsident der Industriellenvereinigung) widerstand und den Posten eines Ateilungsleiters für Produktionsüberwachung in der Elin-Union bedenkenlos ausschlug. Damit waren die Weichen wohl entgültig für ein Forscherleben gestellt gewesen. Ein Rückschlag war allerdings der im Jahre 1979 erfolgte Abgang meines Arbeitspartners Dr. Erdelyi: Da er auf einem geliehenen Posten mit Prof. Neckel von der TU Wien zurückgekehrt war, konnte der Posten nicht mehr nachbesetzt werden und ich war fortan in dieser Forschungsrichtung im Hause auf mich allein gestellt. Dementsprechend sind von meinen 71 wissenschaftlichen Publikationen auch 29 als Alleinautor verfaßt.

Anstelle von Dr. Erdelyi hatte nunmehr ich den Umbau eines Massenspektrometers in Angriff zu nehmen, obwohl ich zuvor vor einer Übernahme dieses Gerätes aus erfolglosem Einsatz an der Kinderklinik Innsbruck wegen der zu erwartenden Schwierigkeiten massiv gewarnt hatte, und ich begonnen hatte, mich mehr auf die Berechnung von Phasendiagrammen zu spezialisieren. Es waren auch schon alle Weichen gestellt gewesen, um von meinem Freund, Dr. Lukas (MPI, Stuttgart) vor Ort rasch und umfassend in seine Berechnungsprogramme für  Phasendiagramme eingeschult zu werden. Einzig aus Loyalität und Treue insbesondere Prof. Neckel gegenüber akzeptierte ich die neue Herausforderung, und in dreijähriger Arbeit gelang mir dann die millionenteure Reparatur und der Umbau der Apparatur in ein bis heute glänzend arbeitendes Hochtemperatur-Massenspektrometer. Anfang der neunziger Jahre wurde das Gerät automatisiert und seit 1996 kann sogar in Fernbedienung gemessen werden. Für die Erzielung der hohen Empfindlichkeit trotz völlig veränderter Ionenoptik war hilfreich, daß es mir gelungen war, eine allgemeine Formel für die Bestimmung des Empfindlichkeitsfaktors von Ionenquellen aus der Statistischen Mechanik herzuleiten.

Für meine wissenschaftliche Karriere bedeutete es allerdings einen massiven Dämpfer: Hatte ich mich doch vor allem mit mechanisch, elektro- und vakuumtechnischen Problemen herumzuschlagen, ein Gerät ohne Serviceanbot in Europa zu betreuen, anstelle zielstrebig auf eine rasche  Habilitation hinarbeiten zu können. Karenzaufenthalte in Übersee waren ebenso unmöglich gemacht worden, denn die Forschungsprojekte hatten betreut zu werden. Als Kompromiß wählte ich daher einen längeren Forschungsaufenthalt bei Prof. Dr. B. Predel am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart, da ich von dort aus meine notwendigen Wien-Aufenthalte durchführen konnte. Rückblickend verstehe ich leider die Rückhaltung vieler, insbesondere junger Forscher, sich an ein Großgerät binden zu lassen, denn letzteres bedeutet massiven Verlust an Flexibilität sowohl bezüglich des Arbeitsplatzes als auch der  durchführbaren Forschungsinteressen. Andererseits wird dadurch aber die experimentelle Komponente unserer Forschungsarbeit immer stärker in den Hintergrund gedrängt.

Neben dem Massenspektrometer-Umbau und den eingangs schon erwähnten apparativen Entwicklungen arbeitete ich höchst erfolgreich an der mathematischen Durchleuchtung der Literaturvorschläge zur Darstellung der thermodynamischen Mischungsfunktionen sowie an der Entwicklung neuer, computergestützter Auswertetechniken für massenspektrometrische Untersuchungen und für EMK-Messungen an Salzlösungen – letzteres als meinen Teil einer Zusammenarbeit mit Mitarbeitern von Prof. Neckel an der TU Wien. Am MPI konnte ich ein Verfahren entwickeln, das die Auswertung kalorimetrischer Untersuchungen an Legierungen mit nicht vernachlässigbaren Verdampfungsraten ermöglicht. Dazu war es allerdings zuvor notwendig gewesen, eine neue, verallgemeinerte Kalorimeterformel herzuleiten.

Mit der Arbeit „Experimentelle und Theoretische Methoden zur Bestimmung Thermodynamischer Mischungseffekte“ habilitierte im November 1986 zum Dozenten für Physikalische Chemie an der Universität Wien, und im Feber 1993 wurde mit der Titel eines  a.o.Univ.-Prof. durch den Bundespräsidenten verliehen. Kurz nach der Ostöffnung wurde ich von RNDr. J. Vrestal, (Brno, CFR) zu wissenschaftlicher Kooperation eingeladen, der ich gerne Folge leistete, um den während der kommunistischen Ära Benachteiligten nunmehr Chancen zu geben. Nach Hilfestellung bei erfolgreichen Bau eines Knudsenzellen-Monopol-Massenspektrometers aus russischen Teilen begannen wir die systematischen Untersuchungen des quaternären Legierungssystems Fe-Ni-Co-Cr. Da anfänglich sämtliche Infrastruktur in Brünn fehlte, war es zunächst etwas sehr mühevoll und zeitintensiv, es war mehr ein Know-how Transfer westlicher Forschungstechnik denn eine partnerschaftliche Arbeit. Danach allerdings konnte eine Reihe von gemeinsamen Publikationen erarbeitet werden. 1997 hielt ich an der Masaryk-Universität in Brünn als Gastprofessor eine Vorlesung über „Grundlagen der modernen Quantenmechanik“.

Die Arbeit der letzten Jahre war geprägt durch den Wunsch, die bisherigen Forschungen zu einem gewissen Resümee zu führen und die Ausweitung meiner Interessen für meine künftige Tätigkeit in die Wege zu leiten. Der Wunsch nach Vereinheitlichung der Beschreibungsmodelle, damit die Methoden der Thermodynamik verstärkt auch von Nicht-Spezialisten und der Industrie einsetzbar werden, motivierte mich, die verschiedenen von mir entwickelten Computerprogramme weitgehend zusammenzufassen. Die Rohfassung meines allgemein einsetzbaren, kombinierten Auswerte-, Hochrechnungs- und Datenbanksprogramms erlaubt bereits: (i) Die Auswertung von kalorimetrischen, Dampfdruck- und EMK- Messungen an beliebigen binären als auch für ternären Systemen – also unabhängig ob vom Lösungstyp werden Legierungssysteme, Elektrolytlösungen, Systeme mit und solche ohne Tendenz zur Nahordnung in der flüssigen Phase im Online-Betrieb thermodynamisch ausgewertet. (ii) Die Hochrechnung des ternären Mischungsverhaltens aus Binärdaten ist weitgehend fertiggestellt – wieder für alle Mischungstypen. Und (iii) bietet das Programm die Abrufmöglichkeit für sämtliche Daten und Kurven der thermodynamischen Mischungsfunktionen und der Aktivitäten beliebiger binärer und ternärer Systeme, also einen ausgeweiteten „Elektronischen Hultgren“.

Daneben wurde ein Umrechnungsprogramm erarbeitet, das die in der Literatur gängigen Approximationsgleichungen der molaren Mischungsfunktionen ineinander umzurechnen erlaubt. Damit ist es mir gelungen, die Grundstruktur einer einheitlichen und schlagkräftigen Beschreibungsstruktur für das thermodynamische Mischungsverhalten eines breiten Spektrums von Systemen zu schaffen, für die bereits die Rohfassung ihrer praktischen Anwendung sehr einfach anzuwenden ist. Ermöglicht wurde dieses Konzept durch die mathematischen Untersuchungen der verschiedenen in der Literatur vorgeschlagenen Approximationsformalismen und dem sich daraus ergebenden Beweis der Äquivalenz sämtlicher Reihenansätze mit ganzen Exponenten. Ein Wermutstropfen dabei ist, daß ich zwar Ende der siebziger Jahre die CALPHAD-Gruppe davon überzeugen konnte, daß von den damals bekanten Approximationsgleichungen der Ansatz nach Redlich-Kister die günstigsten praktischen Vorteile aufweist und in Folge auch die allermeisten der bekannten, jetzt kommerziell erwerbbaren Programme für die Phasendiagramm-Berechnungen diesen Ansatz übernommen haben. Aber es ist mir bisher noch nicht gelungen, die Literatur davon zu überzeugen, daß die praktischen Vorteile des von mir zehn Jahre später vorgeschlagenen TAP-Formalismus es wert wären, die Datenbanken auf diesen neuen und noch viel einfacheren Formelsatz umzustellen, da mit seiner Hilfe etwa der Rechenaufwand zur Beschreibung der partiellen ternären Größen auf ein knappes Drittel reduziert wird.

Die reine Gleichgewichts-Thermodynamik hat unzweifelhaft den Höhepunkt des Forschungsinteresses überschritten. Legierungssysteme, die mit verhältnismäßigem Aufwand noch genauer experimentell untersucht werden können sind rar geworden. Zudem läßt keine der traditionellen Untersuchungsmethoden – weder kalorimetrische, Dampfdruck- oder EMK-Messungen - in Konzentrationsbereichen komplexerer Phasengebiete molare Mischungsfunktionen mit der Präzision bestimmen, die für moderne Applikationen wie die Berechnung der Phasendiagramme erforderlich ist.  Umgekehrt zeigen sich aber schon seit einigen Jahren immer stärker die Nachteile der rein synthetischen Datengenerierung, wie sie insbesondere von vielen CALPHAD-Gruppen zur Konstruktion von Phasendiagrammen benützt wird. Es konnte von mir aufgezeigt werden, daß solche Parametersätze zwar akzeptable Phasengleichgewichte produzieren, aber thermodynamischen Aktivitäten entsprechen, die teils völlig irreal sind. Die Zukunft liegt – wie mit Hilfe des Systems Fe-Ni-Cr gezeigt werden konnte, unzweifelhaft in einer Synthese beider Techniken.

Der Einfluß von Ober- und Grenzflächenphänomenen, das Interesse an den metastabilen metallischen Gläsern und insbesondere an den nanokristallinen Zuständen sowie die industrielle Notwendigkeit, metastabile Phasen konsistent zu beschreiben, weisen ebenfalls auf die Erfordernis einer Erweiterung  auf gesamtenergetische Betrachtungen und Einbindung kinetischer Parameter. Hier werde ich künftig neben meiner bisher gewohnten Forschungsarbeit stärker mitgestalten.

Neben meinem eigentlichen Forschungsgebiet interessierte mich schon seit langem die Erarbeitung neuer Lehr- und Präsentationskonzepte für die Physikalische Chemie. Die Freude an der Lehre ist ja einer der schönsten Gründe für mein Verbleiben an der Universität Wien gewesen. Seit meiner Habilitation habe ich mich daher viel mit dem Aufbau eigener, zukunftsorientierter Lehrveranstaltungen beschäftigt, wie die beigelegte Liste meiner Lehrerfahrung illustriert.

Besonders bemühe ich mich, möglichst anschauliche und griffige Formen der Wissensvermittlung zu finden, um so mitzuhelfen, die modernen Naturvorstellungen in eine verständliche Sprache zu übersetzen. Außerordentlich hilfreich erwies sich dazu, daß ich im Rahmen des 1992 durchgeführten Kooperationsmodell „Wissenschaft und Medien“ sechs Wochen lang die Gelegenheit hatte, in der Wissenschaftsredaktion des ORF-Fernsehens mitzuarbeiten. Dort lernte ich didaktisch und argumentativ ungeheuer viel und mußte sogar selbst einen Film für „Wissen aktuell“ machen - aber nicht über Chemie, sondern über ein völliges Alternativthema – ich wählte „Eine Chance für die March“. Seit meiner kurzen Fernsehzeit ist mir klar geworden, daß die Wissenschaft einen Weg finden muß, ihre Vorstellungen, Strukturen und Wünsche allgemein verständlich auszudrücken. Und daß wir weniger zwischen populären und wissenschaftlichen Ausdrucksweisen unterscheiden sollten sondern vielmehr zwischen Übersichts- und detailreicheren Darlegungsformen.

Dementsprechend war ich im Sommer 1998 auch freudig einverstanden, bei dem neuen Projekt „University meets public“ mitzuarbeiten, im Rahmen dessen die Universitäten an den Volkshochschulen Vorträge und Kurse über wissenschaftliche Themen halten sollen. Die bisher sieben bisher von mir gehaltenen Kurse waren sehr lehrreich, denn sie forderten erneut, aus der uns gewohnten, akademischen Fachdidaktik herauszukommen. Es freut mich, daß mir dies offensichtlich ebenso gut gelungen ist wie 1997 in Brünn bei meiner Gastvorlesung über „Grundlagen der modernen Quantenmechanik“.

In meiner Vorlesung „Die Energie“, bin ich dabei, ein Konzept zu entwickeln, anhand der verschiedenen Energieformen und deren Umwandlungsmöglichkeiten einen bisher wenig üblichen, aber faszinierenden Zugang zu den Inhalten der Physikalischen Chemie aufzuzeigen. Anregung dazu war das Buch „Energie und Entropie“ von G.Falk und W.Ruppel (Springer, Berlin Heidelberg 1976). Konsequenterweise versuche ich, die Physikalische Chemie als jenen Teil der Naturforschung zu charakterisieren und zu präsentieren, der sich besonders auch mit den verschiedenen uns bekannten Energieumformungen unter Berücksichtigung der Stoffspezifika beschäftigt.

Die Vorlesung „Das Weltbild der modernen Naturwissenschaft“ ging aus der früher gehaltenen Vorlesung „Einführung in die Relativitätstheorie für Chemiker“ hervor und beschäftigt sich insbesondere auch mit den erkenntnistheoretischen Folgerungen der modernen Naturwissenschaft für Inhalte, Form und Interpretation unserer Wissenschaften. Der Erarbeitung eines neuen Verständnisses der Physikalischen Chemie dienten auch die eingeladenen Vorträge in Brünn (Chemiker-Gesellschaft, 1994) und in New York (Binghampton, 1996) sowie ein Konferenzbeitrag  in Genua (Thermodynamic of Alloys, 1994).

Ich konnte 1989 das Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung überzeugen, mir die apparative Ausstattung von vier modular aufgebauten und mit einem Netzwerk verbundenen Arbeitsplätzen für computerunterstützte Experimentiertechnik in der Chemie zu finanzieren. Studierende höherer Semester, Diplomanden und Dissertanten konnten sich in diesem Experimentierlabor mit neuen Forschungsmethoden vertraut machen. Darüber hinaus wurden Möglichkeiten der computergestützten Experimentiertechnik für die didaktische Anwendung an den Universitäten und den „Allgemeinbildenden Höheren Schulen“ untersucht. Eine Reihe  meiner Lehrveranstaltungen nahmen und nehmen auf die EDV-Möglichkeiten bezug. Ich war auch Mitverantwortlicher für das Wahlfach „Computerunterstützte Chemie“.

Mein Interesse an schulischer Ausbildung ließ mich einer der ersten Chemiker sein, die an dem interfakultären Hochschullehrgang „Informatik für Lehramtskandidaten“ aktiv mitgearbeitet haben. Bis heute ist ein besonderer Liebling von mir die Vorlesung „Personalcomputer (PC's) im Schuleinsatz: Didaktische Möglichkeiten (insbes. für LA-Kandidaten)“, vielleicht, weil sie eine Forum bietet, künftigen Pädagogen ein wenig der eigenen Gedanken mitzugeben, vielleicht auch, weil die Hörer von verschiedensten Studienrichtungen zusammenkommen, und so auch ein Horizont und Ideenaustausch zwischen Chemikern, Anglisten, Mathematikern, Geographen und anderen zustande kommt. Ich konnte Herrn Reitgruber dazu gewinnen, im Rahmen der Diplomarbeit „Naturwissenschaften fürs Leben  (- Ein Vorschlag zur Erneuerung des Unterrichts)“ Ideen von AHS-Lehrern und mir zu Lösungsskizzen für eine radikale Reformierung der naturwissenschaftlichen und mathematischen Fächer an den AHS zu formen.

Mein Arbeitsgebiet ist die Hochtemperaturthermodynamik. Die rasch zunehmende Bedeutung der Hochtemperaturchemie erfordert das Studium des thermodynamischen Verhaltens von Legierungen und hochschmelzenden Verbindungen bei hohen Temperaturen. Die genaue Kenntnis der thermodynamischen Mischungseffekte ermöglicht nämlich Aussagen über die thermische Stabilität der untersuchten Substanzen, sowie über deren chemische Beständigkeit und Reaktivität. Darüber hinaus können die Untersuchungen einen Einblick in die Natur der chemischen Bindung liefern und bei Schmelzen zu Erkenntnissen über die Struktur von Flüssigkeiten führen.

Insbesondere sind auch für verläßliche EDV-Berechnungen von Phasendiagrammen möglichst genaue Werte der thermodynamischen Mischungsfunktionen erforderlich. Ohne thermodynamische Berechnungen können diese Diagramme nur aufgrund langwieriger Experimente (thermische Analyse) erstellt werden. Die Kenntnis der Phasendiagramme ist jedoch von eminenter Wichtigkeit, da durch sie etwa die Entwicklung hochwertiger Werkstoffe wesentlich erleichtert wird.

Die verfügbaren Modellvorstellungen über den festen und flüssigen Zustand der Materie sind noch weit davon entfernt, zuverlässige Werte für die thermodynamischen Mischungseffekte der interessierenden chemischen Systeme zu liefern. Deshalb ist man auf experimentelle Bestimmungsmethoden angewiesen. Für hohe Temperaturen (über 1500 K) sind die experimentellen Untersuchungsmöglichkeiten jedoch äußerst begrenzt. Dies liegt einerseits an den bei hohen Temperaturen oft schon beträchtlichen Abdampfverlusten an Probenmasse und andererseits an allgemeinen Materialproblemen. So gibt es für hohe Temperaturen kaum noch Materialien, welche für Probenbehälter und Heizung, für Meßsonden sowie für Schutz- und Hantiervorrichtungen geeignet sind.

Meine bisherigen Veröffentlichungen (71, davon 29 alleinige) sind in der beigelegten Publikationsliste chronologisch angegeben und lassen sich im wesentlichen in vier Themenkreise gliedern:

(i) Apparative Arbeiten,
(ii) Methodische Entwicklungen,
(iii) Experimentelle Untersuchungen und
(iv) Theoretische Arbeiten.

Im weiteren Bericht beziehen sich in Klammer gesetzte Zahlen auf die Nummern im Publikationsverzeichnis.

2.4-1 Apparative Arbeiten

Jede der in der Literatur bekannten Methoden zur Bestimmung von „kleinen“ Dampfdrücken (maximal 20 Pa; 1Pa = 0.0075 Torr) weist neben Vorzügen auch teils empfindliche Nachteile auf. Für Anwendungen in der Hochtemperaturchemie erweist sich jedoch die Knudsen'sche Methode der Molekül-Effusion als besonders geeignet.

Die Messung „kleiner“ Dampfdrücke nach diesem Verfahren beruht auf der Effusion eines Molekularstrahls aus einer kleinen Öffnung eines isothermen Behälters („Knudsenzelle“), in dem sich die zu untersuchende kondensierte Probe bei vorgegebener, konstanter Temperatur befindet. Die Dampfdruckbestimmung ist dann nach drei grundlegend verschiedenen Verfahren möglich: (i) Massenverlustmethode, (ii) Impulsmeßverfahren und (iii) Knudsenzellen-Massenspektrometrie.

Apparative Verbesserungen und Neuentwicklungen: 1) Es gelang mir, eine neue, auf dem Rückstoßprinzip beruhende Methode zu entwickeln, die als „PENKER“ (PENdulum-electronically-balanced Knudsen-Effusion-Recoil) Technik bezeichnet wurde (10): Nach dieser Nullmethode werden die Dampfdrücke auf analoge Weise wie die Suszeptibilitäten mit Hilfe einer elektronischen Pendelwaage gemessen. Dazu werden  zwei oder mehrere PENKER-Zellen (Knudsenzellen mit seitlichen Effusionsöffnungen) am oberen Ende eines Pendelstabes befestigt. Die durch die ausströmenden Molekularstrahlen verursachte Auslenkung des Pendels wird durch ein elektromagnetisches Kompensationssystem automatisch erfaßt und kompensiert.

2) Für die 1931 von M.Volmer eingeführte „TORKER“ (TORsion-Knudsen-Effusion-Recoil) Technik konnte ich das „TORKOMETER“ vorschlagen, eine neue Null-Methode, die ein umgebautes Meßwerk eines Innenkern-Drehspulgalvanometers für ein automatisch oder manuell steuerbares Kompensationssystem benützt (11).

Bei TORKER-Apparaten werden nämlich der Meßbereich und die Empfindlichkeit im wesentlichen durch die elastischen und mechanischen Eigenschaften der Torsionselemente, sowie durch die Länge des Lichtzeigers und der Ableseskala bestimmt. Unvermeidliche Vibrationen der TORKER-Zelle limitieren die Empfindlichkeit und machen Dämpfungssysteme erforderlich. Durch den Einsatz von Nullmethoden werden Messungen innerhalb größerer Dampfdruckbereiche bei gleichzeitiger Verwendung  von langen Lichtzeigern und kurzen Ableseskalen ermöglicht. Die beiden Spulen (10 und 4000 Ohm) sowie das Pt-Ni Torsionsband des Torkometers ermöglichen kontinuierliche Messungen innerhalb eines großen Druckbereiches (mehr als 3 Zehnerpotenzen) mit gleichbleibender Empfindlichkeit. Die jeweils nicht zur Kompensation eingesetzte Spule kann kurzgeschlossen und so zur magnetischen Dämpfung der Vibrationen herangezogen werden. Diese Dämpfung ist bei geschlossenem Gehäuse ein- oder ausschaltbar  und ermöglicht damit die Eichung der Torsionselemente im Hochvakuum mit wesentlich höherer Genauigkeit (0.1%). Die zusätzliche Belastung des Torsionselementes durch das Anhängen der Galvanometerspulen ist mit max. 0.5 g vernachlässigbar klein.

Sowohl die PENKER-Methode als auch das TORKOMETER wurden auf der „Annual World Fair for Technology Exchange 1983“ (Tech Ex'83) in Orlando, Florida (U.S.A.), durch den „Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung in Österreich“ ausgestellt.

3) Die Massenspektrometrie ist eine rein elektro-magnetische Untersuchungsmethode für die genaue Bestimmung der quantitativen Verteilung der in einem Probenmaterial befindlichen Komponenten. Dennoch fand diese Methode bei Untersuchungen von Metallsystemen in Form der Knudsenzellen-Massenspektrometrie (KMS) bisher noch geringe Verbreitung. Nicht zuletzt darum werden weltweit nur wenige Geräte kommerziell angeboten, welche ohne Umbau für den Einsatz in der KMS geeignet sind.

Die apparativen Anforderungen unterscheiden bei der Knudsenzellen-Massenspektrometrie grundlegend von denen in der herkömmlichen Massenspektrometrie: i) Stabile Probentemperaturen von bis zu 2500 K machen feinregulierbare, leistungsstarke  Öfen (bis zu 2 kW) und umfangreiche Wärmeschutzmaßnahmen erforderlich. ii) Heiße Molekularstrahlen verhalten sich als Gasquelle völlig anders als die diffusen Gaswolken von max. 600 K der herkömmlichen Massenspektrometrie. iii) Zur Vermeidung möglicher Fragmentierung von Dampfmolekülen müssen niedrige Ionisierungsenergien verwendet werden.

Neukonstruktionen, die das Ergebnis eines sich als notwendig erwiesenen Umbaus eines Massenspektrometers (RMU-6M, Hitachi, Japan) für den Einsatz in der Hochtemperaturthermodynamik darstellen, wurden in zwei Arbeiten (21,23) beschrieben. Insbesondere mußte ein neues Ionenquellensystem entwickelt und gebaut werden, das unter Berücksichtigung der vorgegebenen Apparatur die Verwendung einer Knudsenzellen-Anordnung ermöglicht. Hilfestellung leistete dabei eine für diesen Zweck aus der statistischen Mechanik hergeleitete allgemeine  Formel für die Bestimmung des Empfindlichkeitsfaktors von Ionenquellen (21). In den letzten Jahren konnte die Meßapparatur weiter verbessert  und automatisiert werden (35,36). Seit 1996 können mit dem Gerät die Untersuchungen in Fernbedienung durchgeführt werden.

Zwei Arbeiten (43,48) berichten vom Aufbau eines Knudsenzellen-Monopol-Massenspektrometers an der Tschechischen Akademie der Wissenschaft in Brünn (CFR). Eine weitere Arbeit (33) ist der Diskussion der neueren Entwicklungen in der Dampfdruck-Meßtechnik nach der Knudsen-Effusionsmethode gewidmet.
 

2.4-2 Methodische Entwicklungen

Experimentelle Bestimmungen der molaren Zusatzgrößen ZE werden häufig nicht nur durch die auftretenden apparativen und methodischen Schwierigkeiten, sondern auch durch Probleme bei der Auswertung der Meßdaten erschwert: Die Werte der molaren Zusatzgrößen ZE können nicht bei allen gewünschten Temperaturen und Zusammensetzungen experimentell bestimmt werden, denn der experimentelle Aufwand wäre viel zu hoch, und die Untersuchungen würden zuviel Zeit beanspruchen. Darüber hinaus können punktweise Messungen keine kontinuierliche Beschreibung des thermodynamischen Mischungsverhaltens ergeben, und die unvermeidlichen Meßstreuungen bedingen inkonsistente Funktionswerte.

Es werden demnach geeignete Auswerteverfahren benötigt, um aus einer realistischen Zahl von Meßwerten eine kontinuierliche und konsistente Beschreibung der interessierenden thermodynamischen Mischungseffekte ermitteln zu können. Früher konnten Meßergebnisse häufig nur mittels graphischer Methoden ausgewertet werden. Graphische Verfahren führen zwar zu kontinuierlichen, aber nicht zu konsistenten Werten für die Zusatzgrößen ZE. Zudem sind viele der vorgeschlagenen graphischen Auswertemethoden äußerst zeitraubend. Diese Schwierigkeiten können nur durch die Entwicklung EDV-gerechter algebraischer Auswerteverfahren überwunden werden.

1) Es gelang, mehrere EDV-gerechte Methoden zur Bestimmung der molaren Zusatzgrößen aus experimentellen Untersuchungen zu entwickeln:

(i) Die nunmehr „Computergestützte Digital Intensity Ratio“ (D.I.R.) - Methode zur Auswertung massenspektrometrischer Untersuchungen (2,19,28,35);

(ii) „Gesamtanpassungsverfahren“ zur Auswertung von elektrochemischen (12), massenspektrometrischen (15) und kalorimetrischen (55) Messungen an ternären Systemen;

(iii) Ein weiteres Gesamtanpassungsverfahren (39,51) ermöglicht die gleichzeitige Ermittlung der Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit der molaren Mischungsenthalpien von Systemen flüssiger Legierungen aus den Ergebnissen experimenteller Untersuchungen.

Die genannten Verfahren führen alle zu notwendigerweise konsistenter Beschreibung des thermodynamischen Mischungsverhaltens über den gesamten Konzentrationsbereich mit Hilfe eines einzigen Satzes von Parametern.

2) Ein allgemein anwendbarer Algorithmus zur Berechnung der Gleichgewichtskonzentra-tionen koexistierender Phasen wurde entwickelt, der auf dem verallgemeinerten Newton'schen Verfahren zur numerischen, aber beliebig genauen Lösung von Gleichungen beruht (3,38) und bereits bei Einsatz eines 486-PC in Sekunden das fertige binäre Phasendiagramm liefert.

3) Es konnte auch ein Verfahren erarbeitet werden, das die Auswertung kalorimetrischer Untersuchungen an Legierungen mit nicht vernachlässigbaren Verdampfungsraten (17,18) ermöglicht. Die thermodynamische Auswertung solcher Untersuchungen muß über eine neue, verallgemeinerte Kalorimeterformel erfolgen, die in Arbeit (17) hergeleitet wurde.
 

2.4-3 Experimentelle Untersuchungen (und Bestimung von Phasengleichgewichten)

1) Dreiunddreißig Arbeiten sind der Ermittlung thermodynamischer Mischungseffekte binärer und ternärer Legierungen mit Hilfe der Knudsenzellen-Massenspektrometrie gewidmet:

Binäre Legierungssysteme:
(i) Bcc-Phase: Ni-Cr, Co-Cr.
(ii) Fcc-Phase: Fe-Cr, Co-Cr.
(iii) Flüssige Phase: Au-Fe, Au-Ni, Ni-Ge, Fe-Ge, Au-Al und Co-Ge, Co-Cr.
(iv) Flüssige und feste Phase: Co-Ni, Cu-Ni, Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Pd, Au-Pd, Ni-Pd und Co-Pd.

Für die in den Gruppen (i), (ii) und (iv) genannten binären Legierungssystemen sowie für die Au-Ni-Legierungen wurden auch die Schmelzdiagramme neu berechnet.

Ternäre Systeme:
Flüssige und fcc Phase: Fe-Ni-Co und Fe-Ni-Cr. Für das System Fe-Ni-Cr wurde das Phasendiagramm neu erstellt.

2) Die erste Arbeit (1), die im Rahmen der Dissertation entstanden ist, betrifft Messungen des Mangan-Dampfdrucks über Mangansilizid-Phasen mit Hilfe der TORKER-Methode sowie einige Messungen mittels der Knudsenzellen-Massenspektrometrie. Diese Untersuchungen lieferten Dissoziations- und Bildungswärmen einer Reihe von Mangansiliziden.

3) In zwei Arbeiten (29,40) wurden  die temperaturabhängigen Mischungswärmen flüssiger Ni-Sn- und Co-Sn-Legierungen mit Hilfe des am MPI für Metallforschung, Institut für Werkstoffwissenschaft gebauten Hochtemperaturkalorimeters bestimmt. Die beiden letzten Arbeiten (46,49) berichten über DTA-Messungen an festen Au-Pd und Ni-Pd Legierungen.
 

2.4-4 Theoretische Arbeiten

Diese Themengruppe umfaßt Arbeiten über (i) die Probleme des Ausgleichs experimenteller Meßdaten (22), (ii) die Wiedergabe der Konzentrationsabhängigkeit der thermodynamischen Zusatzfunktionen mit Hilfe algebraischer Formeln (6,9,25,31), (iii) die Beschreibung temperaturabhängiger Mischungsenthalpien (39) und (iv) die Umrechenbarkeit zwischen verschiedenen Approximationsgleichungen der molaren Mischungsfunktionen.

1) Es konnte bewiesen werden, daß sämtliche in der Literatur vorgeschlagenen Approximationsformeln die auf Polynomreihen beruhen untereinander äquivalent sein müssen. Der Redlich-Kister-Ansatz, Kortüm`s *-Formalismus, die Margules-Gleichungen, ... können daher exakt ineinander überführt werden (13,20,27,31) und weisen daher keine anderen Vor- oder Nachteile auf als die Erfordernis von deutlich verschieden aufwendige Rechenoperationen. Die Umrechnungskoeffizienten zwischen den einzelnen Approximationen sind dabei feste Zahlen, die unabhängig von den einzelnen Legierungssystemen sind. Die von mir vorgeschlagene "Thermodynamisch Adaptierte Potenzreihe" (T.A.P.) erweist sich als jener Polynom, dessen Anwendung den deutlich geringsten Rechenaufwand erfordert. In einer weiteren Arbeit wurde gezeigt, daß das on mir entwickelte TAP-Konzept die natürliche Vereinheitlichung und Verallgemeinerung des originären Margules-Konzeptes ist. Die Ausweitung und Anwendung des TAP-Konzeptes auf verschiedene Typen von Mischungssystemen inklusive flüssiger Mischungen mit Nahordnungstrukturen war Stoff mehrerer Arbeiten (60,62,64,66, 70,71).

2) Ein einfaches Verfahren für die Umrechnung der verschiedenen Anpassungen von binären Zusatzgrößen (ZE, ZEj) konnte entwickelt werden (27,32). Das dem Verfahren zugrundegelegte "Baukastenprinzip" verwendet die T.A.P.-Reihe und - fallweise - die Potenzreihe als Zwischenstation der Konversionen sowohl zwischen den verschiedenen Darstellungen derselben Zusatzfunktion, als auch zwischen den Ausdrücken der molaren und der partiellen molaren Größen. Das Verfahren erlaubt die Umrechnung der einzelnen Polynomreihendarstellungen (vom selben Grad in x) der Zusatzgrößen (ZE, ZEj) mit Hilfe von Konversionskoeffizienten uln, die nur vom Typus der verwendeten Polynomreihen und von den Indizes der umzurechnenden Parameter An und Bl abhängig sind, nicht jedoch von der expliziten Form der approximierten Zusatzfunktion. Die für 2 konkrete Polynomreihen (mit den Parametern An bzw. Bl) bestimmten Zahlenwerte der Koeffizienten uln gelten daher für die Berechnung aller An-Parameter der Zusatzgrößen beliebiger binärer Mischungen aus den entsprechenden Bl-Werten und umgekehrt.

3) Mit der Problematik der konsistenten Beschreibung von Nahordnungssystemen befaßten sich die Arbeiten 29,39,40,49,52,55,62 und 66. Es gelang dabei nicht nur – wie schon weiter oben beschrieben, die Entwicklung eines sich in das TAP-Konzept einfügenden konsistenten Beschreibungsformalismus und seine Anwendung auf eine Reihe von Legierungssystemen, sondern auch der Nachweis seiner Überlegenheit über das populäre Assoziatmodells und über andere speziell für diese Problematik entwickelten Formalismen.