Authors:	Golde, Sebastian
Title:	Optische Experimente zur Untersuchung der Nichtgleichgewichtsdynamik kolloidaler Suspensionen
Online publication date:	16-Dec-2015
Year of first publication:	2015
Language:	german
Abstract:	In der vorliegenden Forschungsarbeit wird die Konkurrenz von Kristallisation und Verglasung in metastabilen kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen mit dynamischer und zeitaufgelöster statischer Lichtstreuung untersucht. Durch gleichzeitige Messungen mit beiden Methoden an derselben Probe gelang es, mit hoher Genauigkeit und aussagekräftiger Statistik nachzuweisen, dass in beiden Systemklassen eine starke Korrelation der strukturellen und dynamischen Eigenschaften vorliegt und diese Korrelation zu quantifizieren. Ein zentraler Teil der Arbeit bestand in dem Aufbau einer geeigneten Lichtstreuanlage mit der erstmalig Messungen der Dynamik und der Struktur simultan an derselben nicht-ergodischen Probe durchgeführt werden konnten. Für die dynamische Lichtstreuung wurde ein Flächendetektor (CCD-Kamera) verwendet. In Kombination mit einer speziellen Detektionsoptik ermöglicht dies, die gleichzeitige Detektion von Streulicht aus unterschiedlichen Probenbereichen (Subensembles). Damit kann gleichzeitig die Dynamik in unterschiedlichen Subensembles mit einer Auflösung von 15,8x15,8µm2 untersucht werden. Die Lichtstreuanlage wurde ausführlich charakterisiert und ihre korrekte Funktionsweise mithilfe von Vergleichsmessungen an etablierten Lichtstreuanlagen bestätigt. Die zeitliche Entwicklung der Dynamik und der Struktur von metastabilen Proben wurde unterhalb, am und oberhalb des Glasübergangs quantifiziert. Dabei zeigte das untersuchte kolloidale HK-Modellsystem alle typischen Eigenschaften eines HK-Systems. Die kristallisierenden Proben zeigten das etablierte zweistufige Kristallisationsszenario mit entsprechender Kristallisationskinetik und die Glasproben zeigten das erwartete Alterungsverhalten. Bei dem zweistufigen Kristallisationsszenario kommt es zuerst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase von sogenannten Precursorn. In einer zweiten Stufe bilden sich Kristallite innerhalb dieser Precursor. Durch Vergleich zwischen kristallisierenden und verglasenden Proben konnte auch während der Verglasung die Bildung von Precursorn beobachtet werden. Die Korrelation zwischen der Anzahl an Precursorn und der Partikeldynamik legt die Vermutung nahe, dass das immer noch unverstandene Phänomen der Alterung von Gläsern mit der Bildung von Precursorn zusammenhängt. Verhinderte Kristallisation führt zu einer starken Verlangsamung der Partikeldynamik. Die Partikeldynamik einer Probe am Glasübergang zeigt, dass die Probe vor Einsetzen der Kristallisation eine glasartige Dynamik aufwies. Dies legt die Vermutung nahe, dass einkomponentige kolloidale HK-Gläser den Gleichgewichtszustand (Kristall) auf langen Zeitskalen erreichen können. Durch die Untersuchung der Partikeldynamik von metastabilen Proben in einzelnen Subensembles konnte eine heterogene Verteilung der Partikeldynamik nachgewiesen werden. Es existieren Bereiche, in denen die Partikeldynamik schneller oder langsamer ist als in anderen Bereichen. Gleichzeitig zeigen die Messungen der strukturellen Eigenschaften, dass metastabile Proben auch heterogen bezüglich ihrer Struktur sind. Mithilfe dieser Messungen konnte die zeitliche Entwicklung des Anteils an langsamen Partikeln und des Anteils an Partikeln innerhalb von Objekten höherer Ordnung (Precursor/Kristallite) bestimmt werden. Es zeigte sich eine direkte Korrelation zwischen dem Anteil an langsamen Partikeln und dem Anteil an Partikeln in Objekten höherer Ordnung. Die Untersuchung der Dynamik und der Struktur in einzelnen Subensembles lieferte einen weiteren Hinweis darauf, dass Subensembles, in denen eine stärker ausgeprägte strukturelle Ordnung vorliegt, auch bevorzugt eine langsamere Partikeldynamik aufweisen. Subject of this thesis is the investigation of the competition between crystallisation and vitrification in metastable colloidal hard-sphere(HS)-model systems by using dynamic and time-resolved static light scattering. Through the simultaneous measurement with both methods on the same sample with high precision and significant statistics it was evidenced and quantified that in both system classes a strong correlation exists between the structural and the dynamical properties. A central part of this thesis was the set-up of an appropriate light scattering machine, which for the first time enabled the simultaneous investigation of the dynamics and the structure of the same non-ergodic sample at the same time. An area-detector (CCD-camera) was used for the dynamic light scattering. In combination with customized detection optics the simultaneous detection of scattered light from different sample positions (subensembles) is enabled. Therefore, the dynamics in different subensembles can be investigated with a resolution of 15.8x15.8µm2 at the same time. The light scattering machine has been extensively characterised and the correct functionality was proved by comparisons with established light scattering machines. The temporal evolution of the dynamics and the structure of metastable samples below, at and above the glass transition has been quantified. Thereby, the colloidal HS-model system showed all properties of a HS-system. The crystallising samples showed the established two-step crystallisation scenario and the glass samples showed the expected ageing behaviour. The first step of the two-step crystallisation scenario is the nucleation of a metastable temporary phase consisting of so-called precursors. During the second step, the crystallites grow within the precursors. By comparing the crystallising and the vitrifying samples it could be shown that the precursor formation is also observed during vitrification. The correlation between the number of precursors and the particle dynamics lead to the conclusion that the still not fully understood ageing phenomenon could be connected to the formation of precursors. Frustrated crystallisation leads to a strong slowdown in the particle dynamics. The particle dynamics of a sample at the glass transition shows that the sample exhibited glassy dynamics before the inset of crystallisation. This suggests that one-component colloidal HS-glasses can reach the state of equilibrium (crystal) on long time scales. The subensemble-resolved investigation of the particle dynamics could prove a heterogeneous distribution of the particle dynamics. There are areas with faster or slower particle dynamics than in other areas. Furthermore, the measurement of the structural properties shows that the metastable samples are heterogeneous regarding their structure. With these measurements the number of slow particles and the number of particles within objects of a higher order (precursor/crystal) could be obtained. A direct correlation between the number of slow particles and the number of particles within objects of higher order was observed. Furthermore, the investigation of the dynamics and the structure in the individual subensembles indicated that the subensembles with the more pronounced structural order show preferred slow particle dynamics.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3639
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-42396
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen