Neues Modellsystem ermöglicht fine tuning von Kolloid-Rezepturen

21.08.2015

WissenschafterInnen aus Deutschland haben mit einem internationalen Team, darunter Christos Likos, Physiker an der Uni Wien, ein Modellsystem entwickelt, um Zusammenhänge zwischen der atomaren Struktur von Kolloiden und ihren Materialeigenschaften besser zu verstehen.

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.

Wechselwirkungen zwischen den Kolloiden

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.

Verbindender Parameter

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.

Grundlegende Zusammenhänge

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.

Das Paper "Dynamic Phase Diagram of Soft Nano Colloids" (AutorInnen: S. Gupta, M. Camargo, J. Stellbrink, J. Allgaier, A. Radulescu, P. Lindner, E. Zaccarelli, C. N. Likos and D. Richter) erschien am 20. Juli 2015 in "Nanoscale".

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Computergestützte Physik der Fakultät für Physik

Die ForscherInnen untersuchten mit Neutronenstreuung die Struktur ihrer Proben. Aus der Größe des "Rings" im Bild lässt sich beispielsweise der Abstand zwischen zwei Kolloidteilchen bestimmen. (Copyright: Forschungszentrum Jülich).
Ein umfassendes Phasendiagramm für ein weiches Kolloid-System aus Blockcopolymeren ist das Ergebnis umfangreicher Untersuchungen. (Copyright: Forschungszentrum Jülich).