Optische Mikroskopie an elektrostatisch stabilisierten kolloidalen Suspensionen unter dem Einfluss geladener Wände - ausgewählte Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsphänomene

Das Verhalten kolloidaler Suspensionen unter räumlich beschränkter Geometrie ist von großer Bedeutung für die statistische Physik wie auch für die Technologie. Von speziellem Interesse sind Modellsysteme geladener kolloidaler Sphären aufgrund ihrer langreichweitigen und veränderbaren Wechselwirkungen. In dieser Arbeit wurde ein experimenteller Aufbau für die optische mikroskopische Untersuchung solcher, zwischen ebenen Wänden beschränkter Systeme realisiert. Anhand von Piezo-Aktuatoren kann die Zellgeometrie flexibel und präzise eingestellt werden. Unter Verwendung eines Pumpkreislaufs mit einer Ionentauschersäule können kolloidale Suspensionen unter stark entsalzten Bedingungen effizient präpariert werden. Anhand dieses Aufbaus wurde zunächst das Gleichgewichtsphasendiagramm monodisperser geladener kolloidaler Sphären zwischen parallelen Wänden untersucht. Es wurden quantitative Resultate für den Grenzfall starker Entsalzung erzielt, welche mit theoretischen Grundzustandsvorhersagen übereinstimmen. In Doppellagensystemen konnte die Existenz transienter kolloidaler Moiré-Rotationsmuster demonstriert werden, welche besondere zweidimensionale Kristallstrukturen mit komplexer Basis darstellen. Es wurden ferner Nichtgleichgewichtsphänomene untersucht, welche durch Gradienten von lokal freigesetzten Elektrolyten verursacht werden. Durch hauptsächlich diffusioosmotischen Partikeltransport entlang einer einzelnen geladenen Substratoberfläche konnten die Bildung kristalliner Ordnung sowie komplexe, selbstorganisierte Bewegungszustände in einem verdünnten kolloidalen Monolagenfluid bei kleinen Reynolds-Zahlen induziert werden. Interessante Perspektiven für die zukünftige Verwendung des experimentellen Aufbaus ergeben sich aus Beobachtungen verschiedener weiterer Phänomene.

The behavior of colloidal suspensions under confinement is of great importance for statistical mechanics and application. Of particular interest are model systems of charged colloidal spheres for their long-ranged and tunable particle interactions. In this work, a new experimental setup for optical microscopic studies of colloids confined between two planar substrates is presented. Comprising piezo actuators, cell geometry can fast, flexibly and precisely be adjusted. Employing a pump circuit including an ion exchanger column, colloidal suspensions can efficiently be prepared under strongly deionized conditions. Using this setup, the equilibrium phase behavior of charged monodisperse colloidal spheres in a narrow parallel slit was addressed. Quantitative results for low background salt concentrations could be obtained in agreement with theoretical ground state predictions. For double layer systems, existence of transient colloidal Moiré rotation patterns representing two-dimensional crystal structures with complex bases could be demonstrated. Further, non-equilibrium phenomena involving gradients of locally released electrolyte were investigated. Mainly based on diffusioosmotic particle transport along a single charged substrate, novel crystalline order formation and self-organized complex propulsion could be induced within a thermodynamically stable colloidal fluid at low Reynolds numbers. Interesting perspectives for future investigations employing the new experimental setup arise from further different observed phenomena.