Optische Experimente zu Verfestigungs- und Schmelzprozessen auf kolloidaler Skala
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Abstract
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit ladungsstabilisierten kolloidalen Suspensionen, deren Phasenverhalten und deren Phasenübergangskinetik. Der konstruktiv-apparative Schwerpunkt der Arbeit liegt im Aufbau einer Kombinationslichtstreuanlage (SED: Statik, Elastizität, Dynamik), sowie deren Charakterisierung mit einer breiten Palette geeigneter Suspensionen. Hinzu kommen in Folge meines Forschungsaufenthalts in Japan weitere optische und präparative Methoden für ergänzende Untersuchungen einiger spezieller Fragestellungen. Die Auswahl der Kolloidsysteme erfolgte im Hinblick auf zwei aktuelle Themen der Kolloidphysik: Phasenverhalten und Phasenumwandlungskinetik. Sämtliche hier untersuchten Systeme sind sphärische Latexpartikel in wässriger Suspension, die im Vergleich zu bisher untersuchten Systemen eine deutlich geringere Oberflächenladung aufweisen.
Speziell mit der SED wird nachgewiesen, dass ein schwach geladenes System nahe der Fluid-Kristall-Phasengrenze anstatt zu kristallisieren ein temporäres Glas mit bcc-artiger Nahordnung ausbildet. Gläser aus geladenen Latexkugeln sind bislang nur bei sehr hohen Partikelkonzentrationen bekannt. Die hier beobachtete niedrig konzentrierte Glasphase ist sowohl durch ihre theoretisch nicht erwartete Lage im Phasendiagramm als auch durch ihre starke Kristallisationstendenz bemerkenswert. Bei den niedrigsten Partikelkonzentrationen konnten einige Proben über mehrere Tage stabilisiert werden, bevor Kristallisation einsetzte.
Nach der klassischen Keimbildungstheorie steigt die Nukleationsrate exponentiell mit der Konzentration an. Diese wird an einem weiteren Kolloidsystem mittels Mikroskopie, statischer Lichtstreuung und Reflexionsspektroskopie über einen großen Konzentrationsbereich bestimmt. Die Messergebnisse zeigen, dass die Nukleationsrate bei hohen Partikelkonzentrationen konzentrationsunabhängig wird.
Für das Kristallwachstum erwartet die klassische Theorie mit zunehmender Partikel konzentration einen steilen Anstieg, gefolgt von einem Plateau. Die aus der Bragg-Mikroskopie bestimmte Wachstumsgeschwindigkeit an einer weiteren, schwach geladenen Suspension weist jedoch keine nennenswerte Konzentrationsabhängigkeit auf und ist um eine Größenordnung langsamer als erwartet.
Insgesamt kann gezeigt werden, dass eine verminderte Ladung großen Einfluss auf das Phasendiagramm und das Verfestigungsverhalten nimmt. Im Gegensatz zur Kristallisation ist das Schmelzen von kolloidalen Kristallen erst wenig untersucht. Deshalb sind in dieser Arbeit einige erste Untersuchungen zum Schmelzverhalten vorgestellt. Die tensidstabilisierten thermosensitiven Systeme zeigen Schmelzen erst außerhalb des mit der SED erfassbaren Messbereichs. Jedoch kann an einem der bereits erwähnten Latexsysteme erstmals ein Schmelzen durch freie dreidimensional Expansion eines in Reinstwasser eingebrachten Kristalls beobachtet werden.