Physikalische Eigenschaften kolloidaler Festkörper

In dieser Arbeit wird das Phasenverhalten fluid-kristallin und kristallin-amorph, die elastischen Eigenschaften, das Nukleationsverhalten und das diffusive Verhalten ladungsstabilisierter Kolloide aus sphärischen Polystyrol- und Polytetrafluorethylenpartikeln in wässerigen Dispersionsmitteln bei sehr geringem Fremdionengehalt systematisch untersucht. Die dazugehörigen Messungen werden an einer neuartigen selbstkonstruierten Kombinationslichtstreuapparatur durchgeführt, die die Meßmethoden der dynamischen Lichtstreuung, statischen Lichtstreuung und Torsionsresonanzspektroskopie in sich vereint. Die drei Meßmethoden sind optimal auf die Untersuchung kolloidaler Festkörper abgestimmt. Das elastische Verhalten der Festkörper kann sehr gut durch die Elastizitätstheorie atomarer Kristallsysteme beschrieben werden, wenn ein Debye-Hückel-Potential im Sinne des Poisson-Boltzmann-Cell Modells als Wechselwirkungspotential verwendet wird. Die ermittelten Phasengrenzen fluid-kristallin stehen erstmalig in guter Übereinstimmung mit Ergebnissen aus molekulardynamischen Simulationen, wenn die in der Torsionsresonanzspektroskopie bestimmte Wechselwirkungsenergie zu Grunde gelegt wird. Neben der Gleichgewichtsstruktur sind Aussagen zur Verfestigungskinetik möglich. Das gefundene Nukleationserhalten kann gut durch die klassische Nukleationstheorie beschrieben werden, wenn bei niedriger Unterkühlung der Schmelze ein Untergrund heterogener Keimung berücksichtigt wird. PTFE-Partikel zeigen auch bei hohen Konzentrationen nur geringfügige Mehrfachstreuung. Durch ihren Einsatz ist erstmals eine systematische Untersuchung des Glasübergangs in hochgeladenen ladungsstabilisierten Systemen möglich. Ladungsstabilisierte Kolloide unterscheiden sich vor allem durch ihre extreme Kristallisationstendenz von früher untersuchten Hartkugelsystemen. Bei hohen Partikelkonzentrationen (Volumenbrüche größer 10 Prozent) kann ein glasartiger Festkörper identifiziert werden, dessen physikalisches Verhalten die Existenz eines Bernalglases nahe legt. Der Glasübergang ist im Vergleich mit den in anderen kolloidalen Systemen und atomaren Systemen beobachteten Übergängen von sehr unterschiedlichem Charakter. Im verwendeten PTFE-System ist auf Grund der langreichweitigen stark repulsiven Wechselwirkung kein direkter Zugang des Glaszustandes aus der übersättigten Schmelze möglich. Der amorphe Festkörper entsteht hier aus einer nanokristallinen Phase. Die Keimrate steigt im zugänglichen Meßbereich annähernd exponentiell mit der Partikelanzahldichte, so daß man feststellen kann, daß der Glaszustand nicht durch Unterdrückung der Nukleation, sondern durch eine Forcierung derselben erreicht wird.

A novel high precision light scattering experiment is presented which facilitates quasi simultaneous dynamic light scattering, static light scattering and torsional resonance spectroscopy. All partial experiments are optimised to study the extremely fragile colloidal solids formed from charge stabilised particles at moderate packing fractions. [H. J. Schöpe, T. Palberg: J. Colloid Interface Sci. 234, 149 (2001)]. Further, advanced preparation methods are employed [J. Liu et al: Part. Part. Syst. Charact.(accepted 2001)]. Phase behaviour, elastic properties and diffusional properties of colloidal solids were followed over a wide range of interaction parameters [H. J. Schöpe et al.: J. Chem. Phys. 109, 10068 (1998).] The phase behaviour as determined from static scattering confirms elder simulation data, if the interaction energy is taken from the simultaneous elasticity experiment instead of the conventional conductivity measurements. For the first time comprehensive nucleation data for charged spheres were measured. As with hard spheres, classical nucleation theory can be adapted to describe the observations made. Using optically matched PTFE-particles the glass transition and glassy state was accessible for charged systems. Systematics show a different route into the amorphous state as compared to hard sphere systems. Instead of a slowing of the melt dynamics with increased packing fraction, in the systems investigated here the glass is reached via a nanocrystalline intermediate. In fact there is evidence that the glass is reached via an enhancement of nucleation. The observed glass is of bcc short range order and data indicate a piling of precritical nuclei [H. J.Schöpe, T. Palberg: Prog. Colloid. & Polym. Sci (submitted 2000).]. Further, preliminary studies of bimodal mixtures and correlations between their morphological and physical properties are reported.[ P. Wette, H. J. Schöpe, R. Biehl, T. Palberg: J. Chem. Phys. (submitted 2000); P. Wette, H.J. Schöpe, T. Palberg: Prog. Colloid. & Polym. Sci (submitted 2000)].