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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von nanoskaligen
porösen Metallen oder Legierungen, deren Oberflächen
mit Oxidationsschichten versehen sind.
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Eine
Oxidationsschicht kann sowohl ein Oxid im engeren Sinne, das durch
das Auftreten von O2–-Ionen charakterisiert
ist, eine Hydroxidschicht, die sich durch das Auftreten von OH–-Ionen auszeichnet, als auch um
eine Mischung aus Oxid, Hydroxid, Sulfat oder anderen Anionen umfassen,
wobei die Schicht auch noch Wassermoleküle enthalten kann.
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Ein
entscheidender Parameter für die Eignung eines nanoskaligen
porösen Metalls als Aktuator in einem Elektrolyten ist
der spezifische potentialabhängige Dehnungskoeffizient Δl/l,
der allgemein als relative Längenänderung der
betrachteten Elektrode mit der Länge bei einer Änderung
des Elektrodenpotentials definiert ist. Δl/l wird also
aus der absoluten Längenänderung Δl bei
einer Änderung des Potentials der Elektrode und der Länge
l vor dieser Änderung berechnet.
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Falls Δl/l
nicht vom Wert des Elektrodenpotentials abhängt, lässt
sich eine vereinfachte Definition angeben: Δl/l ist, bezogen
auf die potentialfreie Länge l der betrachteten Elektrode,
die Längenänderung Δl, die aus dem Anlegen
eines elektrischen Potentials zwischen der Elektrode und einer Referenzelektrode
in einem gemeinsamen Elektrolyten resultiert.
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Ein
positives Vorzeichen von Δl/l ergibt sich, wenn sich das
Material ausdehnt, wenn sein Potential in positive Richtung gebracht
wird, d. h. das Material wird stärker positiv aufgeladen,
oder wenn seine negative Ladung verringert wird. Ein positives Vorzeichen
von Δl/l ergibt sich auch dann, wenn sich das Material
beim Anlegen eines stärker negativen Potentials zusammenzieht
(kontrahiert). Entsprechend erhält man ein negatives Vorzeichen
von Δl/l im Falle der Kontraktion des Elektroden-Materials
bei Anlegen eines positiveren Potentials bzw. bei Ausdehnung des
Elektroden-Materials beim Anlegen eines negativeren Potentials,
jeweils bezogen auf den Zustand vor der Änderung des Potentials.
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Aus
der
DE 199 52 447
C1 und J. Weissmüller, R. N. Viswanath, D. Kramer,
P. Zimmer, R. Würschum und H. Gleiter, Charge-Induced Reversible Strain
in a Metal, Science 300, S. 312–315 (2003) ist eine Vorrichtung
bekannt, die aus einer Elektrode mit einer schwammartigen, perkolierenden
elektrisch leitfähigen Schicht aus miteinander verbundenen
nanoskaligen Partikeln besteht, die mit einem Elektrolyten gefüllte
Hohlräume enthält, der die Elektroden benetzt,
und die Mittel zum Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode
und dem Elektrolyten, d. h. eine Gegenelektrode, umfasst. Nanoskalig
bedeutet hier, dass, obwohl die Elektrodengröße
im Bereich zwischen wenigen Nanometern und mehreren Metern liegen
kann, das Material Poren, Kanäle oder sonstige Hohlräume
aufweist, wodurch im porösen Metall Strukturen auftreten,
die zumindest in einer Raumrichtung eine Dicke zwischen 1 nm und
500 nm besitzen.
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Die
DE 199 52 447 C1 offenbart
weiterhin ein Herstellungsverfahren für eine derartige
schwammartige perkolierende Schicht durch Auslaugen aus einem Mischkristall
oder einem mehrphasigen Glas. Hierbei wird eine spinodale Entmischung
eines Ionenkristalls in zwei Phasen, z. b. eine calciumreiche und
eine bariumreiche Phase, ausgenutzt. Diese beiden Phasen sind in
der beschriebenen Weise schwammartig strukturiert. Wegen der unterschiedlichen
Löslichkeit in geeigneten Lösungsmitteln lässt sich
eine der beiden Phasen herauslösen und man erhält
das gesamte nanoskalige Netzwerk.
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Aus
J. Weissmüller, R. N. Viswanath, D. Kramer, P. Zimmer,
R. Würschum and H. Gleiter, Charge-Induced Reversible
Strain in a Metal, Science 300, S. 312–315 (2003) und D.
Kramer, R. N. Viswanath, J. Weissmüller, Surface Stress
Induced Macroscopic Gending of Nanoporous Gold Cantilevers, Nano
Letters 4, S. 793–796 (2004) sind mit Schwefelsäure
(H2SO4), Perchlorsäure
(HClO4) und Kaliumhydroxid (KOH) Elektrolyten
bekannt, in denen die spezifischen potentialabhängigen
Dehnungskoeffizienten Δl/l von nanoporösem Gold
oder Platin über den gesamten Potentialbereich (von –0.2
bis +1.05 V für Gold in Schwefelsäure oder von –0.75
V bis +0.15 V für Platin in Kalilauge) ein positives Vorzeichen
aufweisen.
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Die
DE 10 2004 037 288
A1 offenbart Elemente, die zwei Elektroden aus zwei verschiedenen nanoskaligen
porösen Metallen, die sich in einem gemeinsamen Elektrolyten
befinden, umfassen, wobei sich die spezifischen potentialabhängigen
Dehnungskoeffizienten Δl/l der beiden nanoskaligen porösen
Metalle in ihrem Vorzeichen unterscheiden. Durch diese Art der Anordnung
tragen beide Elektroden gleichzeitig zum Aktuatoreffekt bei. Dadurch
wird Volumen und Masse des Aktuators im Vergleich zu einer Anordnung
aus Materialien, die dieses unterschiedliche Vorzeichen nicht besitzen,
verringert oder bei vergleichbarem Volumen wird eine höhere Dehnungsamplitude
erreicht werden.
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Die
DE 10 2004 037 288
A1 offenbart weiterhin, dass der spezifische potentialabhängige
Dehnungskoeffizient Δl/l von nanoporösem Gold
in Natriumfluorid als Elektrolyten ein negatives Vorzeichen aufweist.
Ebenso weist der spezifische potentialabhängige Dehnungskoeffizient Δl/l
von nanoporösem Palladium oder nanoporösen Palladium-Nickel-Legierungen
(Pd
1-xNi
x, x = 0,25–0,40)
in Kaliumhydroxid oder in Ethylacetat gelöstes Lithiumperchlorat
als Elektrolyt ein negatives Vorzeichen auf. Demgegenüber
besitzt der spezifische potentialabhängige Dehnungskoeffizient Δl/l
von nanoporösem Platin oder Iridium in Natriumfluorid,
Kaliumhydroxid oder in Ethylacetat gelöstem Lithium perchlorat
als Elektrolyt ein positives Vorzeichen.
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Nach
S. Lu und B. Panchapakesan, Hybrid platinum/single-wall carbon nanotube
nanowire actuators: metallic artificial muscles, Nanotechnology
17, S. 888–894 (2006) zeigt Platin auf Kohlenstoff eine sehr
hohe Dehnungsamplitude. Ein Betrieb mit verschiedenen Vorzeichen
des spezifischen potentialabhängigen Dehnungskoeffizienten
ist nur bei sehr stark negativen Potentialen möglich, wobei
gleichzeitig Wasserstoffentwicklung auftritt. Dadurch wird der Wirkungsgrad
der Anordnung herabsetzt und der Elektrolyt verliert durch die Elektrolyse
Wasser oder ändert seinen pH-Wert derart, dass ein erhöhter
Wartungsaufwand erforderlich wird. Entweichender Wasserstoff ist
ein Sicherheitsrisiko, wobei eine Kapselung zwar das Entweichen
verhindert, aber die Wartung erschwert. Zudem erfordert ein Einsatz
dieses Materials mit unterschiedlichem Vorzeichen des Dehnungskoeffizienten
einen hohen Aufwand zur Potentialkontrolle beider Elektroden, da
die unterschiedlichen Vorzeichen in verschiedenen Spannungsbereichen
auftreten.
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Aus
J. Erlebacher, M. J. Aziz, A. Karma, N. Dimitrov and K. Sieradzki,
Evolution of nanoporosity in dealloying, Nature 410, S. 450–453
(2001) und Y. Ding, Y.-J. Kim, J. Erlebacher, Nanoporous Gold Leaf:
Ancient Technology/Advanced Material, Advanced Materials 16(21),
S. 1897–1900 (2001) ist bekannt, dass sich nanoporöse
Metalle durch die Auflösung einer geeigneten Ausgangslegierung
herstellen lassen.
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Ausgehend
hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung eines nanoskaligen porösen Metalls oder
einer nanoskaligen porösen Legierung, deren Oberfläche mit
einer Oxidationsschicht versehen ist, anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Verfahrenschritte des Anspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung.
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Zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines nanoskaligen porösen Metalls oder
einer nanoskaligen porösen Legierung wird gemäß Verfahrensschritt
a) zunächst eine Ausgangslegierung bereitgestellt, die
das betreffende Metall oder die betreffende Legierung als edlere Komponente
sowie ein weiteres Metall als unedlere Komponente, die während
des Herstellungsverfahren aus der Ausgangslegierung herausgelöst
werden, enthalten.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird hierfür eine Ausgangslegierung
eingesetzt, deren edlere Komponente Gold, Platin oder Palladium
enthält und deren unedlere Komponente, die zumindest teilweise
aus der Ausgangslegierung herausgelöst wird, Silber, Kupfer,
Eisen oder Kobalt enthält.
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Hieran
anschließend wird gemäß Verfahrensschritt
b) die bereitgestellte Legierung derart in einer oxidierenden Lösung
oder in einem oxidierenden Elektrolyten behandelt, dass die in der
Ausgangslegierung enthaltene unedlere Komponente aus der bereitgestellten
Ausgangslegierung ganz oder zumindest teilweise herausgelöst
wird und dass sich eine Oxidationsschicht auf dem edleren Metall bildet.
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Übrig
bleibt, je nach eingesetzter Ausgangslegierung und gewähltem
oxidierender Lösung bzw. oxidierendem Elektrolyten, ein
nanoskalig poröses Metall oder eine nanoskalige poröse
Legierung, dessen bzw. deren Oberfläche mit der Oxidationsschicht versehen
sind und die daher einen spezifischen potentialabhängigen
Dehnungskoeffizienten aufweisen, der ein negatives Vorzeichen in
einem Elektrolyten besitzt.
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In
einer besonderen Ausgestaltung wird zur oxidativen Behandlung eine
oxidierende Lösung eingesetzt, wofür Salpetersäure,
eine Peroxidlösung, Schwefelsäure oder eine mit
Sauerstoff gesättigte bzw. durchspülte Säure
gewählt wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die oxidative Behandlung
elektrochemisch, wobei die Ausgangslegierung mit dem Pluspol einer
Spannungsquelle verbunden wird und Schwefelsäure, verdünnte
Salpetersäure oder Perchlorsäure als Elektrolyt
eingesetzt wird.
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In
einer besonderen Ausgestaltung umfasst die Erfindung ferner einen
Verfahrensschritt c), worin das in Verfahrensschritt b) erhaltene
anoxidierte nanoskalige poröse Metall oder die anoxidierte
nanoskalige poröse Legierung mit einem spezifischen potentialabhängigen
Dehnungskoeffizienten, der ein negatives Vorzeichen in einem Elektrolyten
aufweist, einer reduzierenden Behandlung in einer reduzierenden
Lösung oder in einem reduzierenden Elektrolyten unterzogen
wird. Hierdurch lässt sich ein nanoskaliges poröses
Metall oder eine nanoskalige poröse Legierung mit einem
spezifischen potentialabhängigen Dehnungskoeffizienten
mit positivem Vorzeichen in einem Elektrolyten herstellen.
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In
einer besonderen Ausgestaltung wird zur reduzierenden Behandlung
eine reduzierende Lösung eingesetzt, wofür eine
Lösung aus Natriumborhydrid oder Natriumdithionit oder
Wasserstoff gewählt wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Reduktion elektrochemisch,
wobei die Ausgangslegierung mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden
wird und Perchlorsäure, Schwefelsäure, Natriumfluorid
oder Kalilauge als Elektrolyt eingesetzt wird.
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Erfindungsgemäß lassen
sich also nanoskalige poröse Materialien mit einer Oxidationsschicht, d.
h. mit einem negativen Vorzeichen des potentialabhängigen
Dehnungskoeffizienten Δl/l und hoher Dehnungsamplitude
herstellen. Diese Materialien können bei Bedarf durch eine
zusätzliche reduzierende Behandlung in ein nanoskaliges
poröses Material mit positivem Vorzeichen des spezifischen
Dehnungskoeffizienten Δl/l umwandeln, wobei die reduzierende
Behandlung die Oxidationsschicht auf der Oberfläche des
Materials beseitigt.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der festgestellten Erkenntnis,
dass im Falle, wenn ein nanoskaliges poröses Metall mit
einer oxidierten Oberfläche versehen ist, es einen spezifischen
potentialabhängigen Dehnungskoeffizienten mit einem negativen
Vorzeichen in einem Elektrolyten besitzt, während im Falle,
wenn es keine oxidierte Oberfläche aufweist, es einen spezifischen
potentialabhängigen Dehnungskoeffizienten mit einem positiven
Vorzeichen in einem Elektrolyten besitzt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
und den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 Relative
Längenänderung (Dehnung) für nanoporöses
Gold in Perchlorsäure nach Auflösung der Legierung
(11), nach Reduktion der oxidierten Schicht an der Goldoberfläche
(12), nach erneuter Potentialvariation im selben Spannungsbereich wie
für 11 (13).
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2 Stromkurven
(Voltammogramme) aufgenommen während der Variation des
Probenpotentials von nanoporösem Gold in Perchlorsäure
nach der Auflösung der Legierung (21), nach Reduktion der
oxidierten Schicht an der Goldoberfläche (22), nach
erneuter Potentialvariation im selben Spannungsbereich wie für 21 (23)
und für einen größeren Potentialbereich,
der die Reduktion und Oxidation der Goldoberfläche einschließt
(24).
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3 Dehnung
einer Probe aus nanoporösem Au80Pt20 in 0,3 M wässriger NaF-Lösung,
aufgetragen gegen die Ladungsänderung der Probe. Das Ladungsvorzeichen
bezieht sich auf den Zustand im Metall (Potentialvorschub 5 mV/s;
Spannung –0,4 V bis +0,55 V; Ladungsnullpunkt willkürlich).
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4 Dehnung
einer Probe aus nanoporösem Au90Pt10 in 0,3 M wässriger NaF-Lösung
(Potentialvorschub 10 mV/s; Spannung/Ladungsnullpunkt wie in 3).
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5 Dehnung
einer Probe aus nanoporösem Au80Pt20 in 0,3 M wässriger NaF-Lösung
nach Reduktion der Oberfläche in Perchlorsäure
(Potentialvorschub/Spannung/Ladungsnullpunkt wie in 4).
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Ausführungsbeispiel 1
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Durch
Legierungsauflösung wurde aus einer Silber-Gold-Legierung
durch Herauslösen des Silbers bei konstantem Potential
nanoporöses, mit einer Oxidationsschicht bedecktes, Gold
hergestellt. Das Oxidationspotential betrug +0,85 V, es lag in einem Bereich,
der oberhalb des in Kurve 24 in 2 erkennbaren
Anstiegs des Stromes zwischen 0,67 V und 0,78 V lag, der die Bildung
einer oberflächlichen Oxidationsschicht auf dem edleren
Metall anzeigt. Aus diesem Grunde wird erwartet, dass das edlere Material
während des Herauslösens des unedlen Materials
teilweise oxidiert wird.
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Das
frisch hergestellte Material wurde in frische Perchlorsäure überführt.
Dann wurden in einem Dilatometer die Längenänderungen
während Potentialänderungen im Bereich von +0,70
V bis +1,05 V gegenüber einer Ag/AgCl-Elektrode aufgenommen. Dabei
wurde für das frisch hergestellte Material ein negativer
spezifischer potentialabhänigiger Dehnungskoeffizient Δl/l
beobachtet, siehe Kurve 11 aus 1.
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Dann
wurde das Material in Perchlorsäure reduziert, indem das
Potential auf Werte unterhalb +0,2 V gegenüber der Ag/AgCl-Elektrode
gebracht wurde, also auf ein Potential unterhalb des in Kurve 24 in 2 erkennbaren
Reduktionssignals um +0,49 V, das sich bis ca. +0,32 V erstreckt.
Anschließend wurden die Längenänderungen
im Bereich von –0,60 V bis +0,65 V bestimmt, wobei sich
ein positiver spezifischer potentialabhänigiger Dehnungskoeffizient Δl/l
ergab, siehe die Kurve 12 in 1.
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1 und 2 legen
nahe, dass ein negativer Wert von Δl/l mit einer dünnen
Hydroxid- oder Oxidschicht verknüpft ist. Diese Schicht
bewirkt entweder direkt den negativen Wert von Δl/l oder
sie stabilisiert eine sehr hohe Oberflächenrauhigkeit,
die ebenfalls Ursache hierfür sein könnte. Die
oxidische Schicht ist so dünn, dass das Metall im Innern
immer noch dick genug ist, so dass ein durchgehender Pfad mit hoher
elektrischer Leitfähigkeit erhalten bleibt.
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Die
besondere oxidische Schicht entsteht während der Legierungsauflösung
bei +0,85 V. Es ist nicht möglich, sie nach der Legierungsauflösung durch
eine Behandlung bei +0,85 V wieder herzustellen, wie die Kurve 13 in 1 zeigt:
Das Vorzeichen der Kurve 13 unterscheidet sich von dem
der Kurve 11. Die hohe Dehnungsamplitude der Kurve 11 wird nicht
mehr erreicht.
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Der
Grund hierfür zeigt die verringerte Stromstärke
der Kurve 23 aus 2: Während
der Reduktion ist ein Strukturwachstum erfolgt, das die Oberfläche
verringert.
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Ausführungsbeispiel 2
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Mittels
Legierungsauflösung ausgehend von Silberlegierungen wurden
in Perchlorsäure nanoporöse, mit einer Oxidationsschicht
versehene Gold-Platin-Legierungen verschiedener Zusammensetzung
hergestellt. Die nanoporösen Materialien wurden nach ihrer
Herstellung in 0,3 M Natriumfluoridlösung gebracht, in
der ihre Dehnung ermittelt wurde: Bei sehr großer Dehnungsamplitude
war der potentialabhängige Dehnungskoeffizient Δl/l
in wässriger NaF-Lösung negativ.
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3 zeigt Δl/l
für eine Au80Pt20-Legierung, wobei
die Angabe der Zusammensetzung der Legierung unter Vernachlässigung
des verbleibenden Restgehalts an Silber erfolgt.
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Die
Dehnungsamplitude beträgt fast 0,3%. Das ist, abgesehen
von S. Lu und B. Panchapakesan, Nanotechnology 17, S. 888–894
(2006), die größte bisher erhaltene Dehnungsamplitude
für den hier behandelten Aktuatortyp. Dort erfolgt die
Dehnung angeblich durch den Wasserstoffdruck, wobei jedoch die Wasserstoffentwicklung
den Wirkungsgrad verringert, während hier der Aktuator
allein durch Änderung der Oberflächenladung betrieben wird.
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4 zeigt
die Dehnung für die Legierung Au90Pt10 gegen die Ladungsänderung aufgetragen. Auch
hier wird eine hohe Linearität des Aktorverhaltens erreicht.
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Eine
ebenfalls hohe Linearität über einen weiten Potentialbereich
wurde auch für einen Aktuator aus einer Ag75Au25-Legierung beobachtet: Die Dehnungsamplitude
betrug 0,12% und war damit höher als diejenige, die gemäß Viswanath,
J. Weissmüller, Nano Letters 4, S. 793–796 (2004)
nach Reduktion in Perchlorsäure gemessen wurde.
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Die
Proben wurden nach den Messungen in NaF-Lösung wieder in
1 M Perchlorsäure gebracht und dort mit Hilfe des Potentiostaten
reduziert. Danach zeigte, wie in 5 anhand
einer Probe aus Au80Pt20 belegt,
der spezifische potentialabhängige Dehnungskoeffizient
sowohl in Perchlorsäure als auch in NaF ein positives Vorzeichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19952447
C1 [0006, 0007]
- - DE 102004037288 A1 [0009, 0010, 0026]
- - EP 1621875 A1 [0026]