Konfokales Laserscanning-Mikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Kolloidphysik beschäftigt sich mit der Struktur, Anordnung und Bewegung von kleinen, bis wenige Mikrometer großen Teilchen. Während deren Verhalten im Gleichgewicht relativ gut verstanden ist, richtet sich das allgemeine Interesse nun auf deren Nichtgleichgewichtsverhalten. Dies umfasst die Eigenschaften von (langlebigen) metastabilen Zuständen, den Einfluss von äußeren Kräften, die Annäherung an einen Gleichgewichtszustand nach einer Änderung der äußeren Bedingungen. Wir untersuchen seit mehreren Jahren Kolloide im Nichtgleichgewicht, zu einem großen Teil im Rahmen von koordinierten Programmen (SFB-TR6, SPP1296, FOR1394, Graduiertenschule „BioSoft“). Diese Projekte profitieren ganz erheblich von dem neuen konfokalen Laserscanning-Mikroskop. Durch seine sehr gute Ortsauflösung und ein großes Beobachtungsvolumen können wir viele Teilchen (bis zu Millionen von Teilchen) gleichzeitig beobachten und deren Position und relative Anordnung mit hoher Genauigkeit bestimmen. Das Mikroskop erlaubt uns jedoch nicht nur teilchenaufgelöste Information über die Proben zu erhalten, sondern durch seine sehr gute Zeitauflösung auch die Teilchen zu verfolgen und damit neben deren Positionen auch deren Trajektorien sehr exakt, quantitativ und zuverlässig zu bestimmen. Wir erhalten so umfassende und sehr wertvolle Information über das Verhalten der Proben, sogar während wir die äußeren Bedingungen verändern und die Proben ins Gleichgewicht zurückkehren oder während wir mechanische oder optische Kräfte auf die Proben ausüben und deren Reaktion auf diese äußeren Kräfte gleichzeitig messen. Darüber hinaus haben wir eine kürzlich vorgeschlagene Messmethode, Differential Dynamic Microscopy (DDM), nicht nur für konventionelle Mikroskopie sondern auch für konfokale Mikroskopie im Labor etabliert und zum ersten Mal auf Mischungen verschiedener kolloidaler Teilchen erweitert. Dies hat uns die detaillierte Untersuchung von Mehrkomponentensystemen und insbesondere die Bestimmung der Dynamik von einzelnen Spezies, die verschieden fluoreszenzmarkiert sind, erlaubt. Dadurch konnte wir den experimentell zugänglichen Bereich sehr entscheidend erweitern und damit zu einem Gebiet beitragen, das im Moment sehr viel internationale Aufmerksamkeit auf sich zieht. Die unterschiedlichen Methoden verwenden wir um verschiedene Nichtgleichgewichtssituationen mit dem Mikroskop zu untersuchen. Einerseits verfolgen wir die Kristallisation von harten kolloidalen Kugeln in der Gegenwart von Keimen, insbesondere von flachen oder gekrümmten Wänden. Andererseits beobachten wir die Reaktion von konzentrierten, kolloidalen Dispersionen auf äußere mechanische Kräfte, vor allem Änderungen in der Teilchenanordnung und -dynamik. Außerdem untersuchen wir die Struktur und Dynamik von dynamisch eingefrorenen Nichtgleichgewichtszuständen, nämlich kolloidalen Gelen und Gläsern. Diesen Projekten ist gemeinsam, dass uns das Mikroskop erlaubt mit hoher Orts- und Zeitauflösung die einzelnen Teilchen zu verfolgen. Damit können wir Änderungen in deren Anordnung und Dynamik sowie mögliche Heterogenitäten in diesen Parametern, die Aufgrund von äußeren Einwirkungen erfolgen, quantitativ und auf der Ebene einzelner Teilchen (und damit auf der kleinsten relevanten Längenskala) bestimmen und verfolgen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Different mechanisms for dynamical arrest in largely asymmetric binary mixtures. Phys. Rev. E 91, 032308 (2015)
J. Hendricks, R. Capellmann, A.B. Scholfield, S.U. Egelhaaf, M. Laurati
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.032308)
