Lösungen von flüssig bis glasartig

WissenschafterInnen des Forschungszentrums Jülich, Deutschland, haben gemeinsam mit einem internationalen Team, unter ihnen Christos Likos, Physiker an der Universität Wien, ein Modellsystem für weiche Kolloide entwickelt. Damit können Zusammenhänge zwischen der atomaren Struktur von Teilchen oder Tröpfchen in Flüssigkeiten – sogenannter Kolloide – und ihren Materialeigenschaften besser verstanden werden. Die Ergebnisse, die aktuell in der Fachzeitschrift Nanoscale publiziert wurden, liefern neue Ansätze zur Entwicklung innovativer Kolloidmaterialien.

Kolloide sind nano- oder mikrometergroße, fein verteilte Teilchen oder Tröpfchen. Weiche Kolloide bestehen aus flexiblen Stoffen, etwa Polymeren wie Proteinen oder Kunststoffmolekülen. In der Natur finden sich weiche Kolloide zum Beispiel in Zellen. Industriell werden sie für Lebensmittelzubereitungen, Kosmetika und Dispersionsfarben oder bei der Erdölförderung genutzt und sorgen für die gewünschten Fließeigenschaften. In Dispersionsfarben etwa stellen sie sicher, dass sich diese leicht verstreichen lassen, aber nicht von der Wand laufen.

Das Modellsystem der Jülicher Forscher besteht aus Wasser und Blockcopolymeren – das sind fadenförmige Moleküle mit einem wasserliebenden und einem wasserabweisenden Teil. Im Wasser ordnen sich die Polymerfäden sternförmig an, mit den wasserliebenden Enden nach außen, den wasserabweisenden nach innen. Ist der wasserliebende Anteil groß, knäulen sich jeweils nur wenige Moleküle locker zusammen und das physikalische Verhalten ähnelt Fäden. Je größer der wasserabweisende Anteil ist, umso mehr Polymere ballen sich aneinander und es bilden sich dichte, harte Kugeln. "Ich habe eine Modellierung der Wechselwirkungen zwischen diesen Kolloiden vorgeschlagen. Wir haben Struktur und Fließverhalten von konzentrierten Suspensionen damit berechnet und festgestellt, dass die Vorhersagen mit den Experimenten erstaunlich gut übereinstimmen", so Christos Likos, Professor für Computergestützte Physik an der Universität Wien.

Für Fäden und für Kugeln existierten bisher separate physikalische Modelle, die jeweils vorhersagten, ob eine Lösung daraus flüssig oder glasartig sein würde. Mit Hilfe neuer Untersuchungen, u.a. mittels Neutronenstreuexperimenten,  gelang es nun den ForscherInnen, beide Modelle zu vereinen und ein umfassendes Phasendiagramm zu erstellen, das die Materialeigenschaften  in Abhängigkeit von Kolloidaufbau  und -konzentration darstellt – quasi ein Rezeptbuch für Kolloide. Denn sie fanden einen verbindenden Parameter, der wesentlich darüber entscheidet, ob die Modell-Kolloidlösung flüssig oder glasartig ist: die so genannte Interaktionslänge der Kolloide, die unter anderem von der Konzentration der Kolloide und der Zahl der Moleküle pro Kolloid abhängt.

Möglich wurde die Erkenntnis dadurch, dass sich der Weichheitsgrad der Modell-Kolloide durch eine Veränderung des Längenverhältnisses der beiden Enden über einen großen Bereich sehr genau einstellen lässt. Dass die Grundzutaten dabei stets die gleichen bleiben, vereinfacht es, grundlegende Zusammenhänge zu erkennen.

Publikation in Nanoscale:
Dynamic Phase Diagram of Soft Nano Colloids. S. Gupta, M. Camargo, J. Stellbrink, J. Allgaier, A. Radulescu, P. Lindner, E. Zaccarelli, C. N. Likos and D. Richter; Nanoscale, 2015.
DOI: 10.1039/C5NR03702F

Kontakte Forschungszentrum Jülich
Dr. Jörg Stellbrink
Jülich Centre for Neutron Science
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j.stellbrink(at)fz-juelich.de
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Angela Wenzik
Peter Grünberg Institut und
Jülich Centre for Neutron Science
T +49-2461-61-6048
a.wenzik(at)fz-juelich.de