"Weiche Materie" mit vielfältigem Anwendungspotenzial
| 25. November 2013
Unter "weicher Materie" werden in der Physik Stoffe verstanden, die sehr leicht verformbar sind wie etwa Flüssigkristalle oder Polymere. Im Bild: zwei verzweigte Polymere (rot und dunkelblau) in einem Ozean von linearen Ketten (hellblau). (Foto: Christos Likos)
Christos Likos, theoretischer Physiker an der Universität Wien, und sein Team erforschen die Physik der "weichen Materie" und damit die Grundlagen für eine Vielzahl von praktischen Anwendungsgebieten. Seine neuesten Ergebnisse – kleine, harte Partikel verändern das Fließverhalten großer, weicher Polymere – erscheinen in der aktuellen Ausgabe der "Physical Review Letters".
Weiche, kolloidale Partikel spielen in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, angefangen bei Lebensmitteln über chemische und pharmazeutische Produkte bis hin zu Kosmetika eine wichtige Rolle. Die Grundlagen dafür erforscht der theoretische Physiker Christos Likos mit seinem Team an der Universität Wien. So untersucht er z.B. Sternpolymere, die sich aufgrund ihrer Justierbarkeit als ideales Modell weicher kolloidaler Systeme bewährt haben: Durch eine Erhöhung der Anzahl ihrer "Arme" verändern sie ihre Eigenschaften von weichen Kolloiden hin zu harten Kolloiden.
Die Ergebnisse entwickelte ein Forschungsteam um Christos Likos von der Fakultät für Physik der Universität Wien zusammen mit ChemikerInnen in Ottawa, ExperimentalphysikerInnen in Heraklion und Montpellier sowie theoretischen PhysikerInnen in Bogota.
"Käfigeffekt"
Gläser aus weichen Kolloiden bei hohen Dichten waren in der Vergangenheit bereits Ziel der Forschung: Durch die hohe Ansammlung von Teilchen wird ein einzelnes Partikel durch seine nächsten Nachbarn wie in einem Käfig eingesperrt und gleichzeitig gequetscht. Die Merkmale dieses "Käfigeffekts" steuern die Stabilität und die Effizienz kommerzieller Produkte wie Beschichtungen, Cremes und Gels. Daher ist es wichtig sie zu verstehen, insbesondere mögliche, mit ihrer Verarbeitung und dem Endprodukt verbundene Fest-Flüssig-Übergänge.
Phasenübergänge nutzbar machen
Die WissenschafterInnen konnten zeigen, dass die Zugabe von harten Partikeln zu einem weichen Glas zu einem neuartigen und vielfältigen Morphologiediagramm führt: Während anfangs das weiche Glas aufgrund einer "Verarmung", d.h. durch das Aufbrechen der "Käfige" durch Kollisionen mit den harten Kugeln, schmilzt, entwickelt das System schließlich eine Tendenz zur Phasentrennung. Aufgrund der hohen Dichte und der hohen Attraktivität der Sternpolymere, die durch die Zugabe kleiner Teilchen induziert wird, beobachtet man einen Zustand der arretierten Entmischung. Daher führt das Hinzufügen von kleinen, harten Kugeln zu Gläsern aus großen, weichen Kugeln zu einem Phasenübergang von einem abstoßenden Glas hin zu einer Flüssigkeit und schließlich zu einem Zustand der arretierten Entmischung.
Die Skizzen zeigen die Zustände des Sternpolymer-Kolloid-Gemisches (von links nach rechts): abstoßendes Glas, Flüssigkeit und arretierte Entmischung. Im abstoßenden Glas (geringer Kolloidanteil) ist die dynamische Arretierung durch die weiche Stern-Stern Abstoßung bestimmt. Im flüssigen Zustand reduziert die durch die Kolloide induzierte Verarmungsanziehung die Abstoßung zwischen den Sternen, was zu einem ergodischen System führt. Im phasengetrennten System ist die sternreiche Phase wieder arretiert.
Weitere Forschungen folgen
Diese Ergebnisse, die aus einer Kombination aus sorgfältig gestalteten Experimenten, Mode-Coupling-Theory (Modenkopplungstheorie) und Simulationen entstanden sind, eröffnen neue Zugänge zur Untersuchung des Einflusses von Kopplungsteilchen-Wechselwirkungen auf die Eigenschaften kolloidaler Mischungen und Möglichkeiten für die Entwicklung kolloidaler Verbundstoffe mit gewünschten Eigenschaften. (af)
Die Publikation "Glassy States in Asymmetric Mixtures of Soft and Hard Colloids" (AutorInnen: Domenico Truzzolillo, Daniela Marzi, John Marakis, Barbara Capone, Manuel Camargo, Abdul Munam, Firmin Moingeon, Mario Gauthier, Christos N. Likos and Dimitris Vlassopoulos) erschien am 14. November 2013 im Physical Review Letters.
