Konfokalmikroskopie an stabilen und metastabilen kolloidalen Hartkugel-Fluiden : interne Struktur, Kristallnukleation und Kristallwachstum

Abstract

Die vorliegende Forschungsarbeit behandelt konfokalmikroskopische Untersuchungen zur Strukturbildung in kolloidalen Suspensionen, die als experimentelles Modellsystem für harte Kugeln verwendet werden. Die lokale und globale Struktur wurde im stabilen und metastabilen Fluid bestimmt. Bereits unterhalb des Gefriervolumenbruchs wurden nah-geordnete Cluster vorgefunden, die mit zunehmendem Volumenbruch häufiger und größer werden. Das Kristallwachstum aus der metastabilen kolloidalen Schmelze konnte quantitativ analysiert werden und es zeigt sich eine Übereinstimmung mehrerer Kenngrößen mit Literaturdaten nahe dem Schmelzvolumenbruch. Die Untersuchung demonstrierte die Realisierbarkeit der quantitativen Analyse der Kristallisationskinetik mittels konfokaler Mikroskopie. Es zeigte sich ein mehrstufiges Nukleationsszenario bei dem zuerst nah-geordnete Cluster gebildet werden, die im weiteren Verlauf zu kristall-artigen Clustern transformieren. Die Beobachtungen belegen den Mechanismus der Precursornukleation in Hartkugelsystemen. Die heterogene Nukleation wurde an glatten und an hexagonal strukturierten Substraten untersucht. Anhand der Kristallisationskinetik und der direkten Messung der Benetzungswinkel konnte ein Übergang des Benetzungsverhaltens unter Variation des Substratgitterabstands nachgewiesen werden: An glatten und an kommensurabel strukturierten Substraten zeigten sich eine vollständige Bedeckung des Substrats mit der kristallinen Phase und ein sofortiges unidirektionales Wachstum. Bei inkommensurabel strukturierten Substraten wurde eine unvollständige Bedeckung des strukturierten Substrats mit der kristallinen Phase sowie ein verzögertes isotropes Wachstum bei fortwährender Kristallnukleation beobachtet.

This thesis deals with confocal microscopic investigations of the structure formation in colloidal suspensions that can be regarded as an experimental hard sphere model system. The local and global structure were measured in the stable and metastable fluid. Even below freezing volume fraction, near-ordered clusters were found that increase continuously in frequency and size. The crystallization kinetics from the metastable colloidal melt was analyzed in a quantitative way. Several properties coincide with literature data near melting volume fraction. The investigation demonstrated the feasibility of quantitative analysis of the crystallization kinetics by confocal microscopy. A multiple-step nucleation scenario was found, starting with the appearance of near-ordered clusters transforming into crystal-like clusters with time. The investigations support the precursor nucleation mechanism in hard sphere systems. Heterogeneous nucleation was investigated near smooth and near hexagonal structured substrates. The crystallization kinetics and direct observation of the wetting angles showed a wetting transition by varying the substrate’s lattice constant: Near smooth and near commensurate substrates a full wetting by the crystalline phase and an instantaneous and unidirectional growth was observed. At incommensurate substrates incomplete wetting by the crystalline phase and a delayed isotropic growth during ongoing crystal nucleation was found.