Kolloidale Dynamik in turbiden Suspensionen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Palberg
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450537114

Kolloidale Suspensionen zeigen ein reichhaltiges Phasenverhalten und eine Vielzahl komplexer dynamischer Prozesse, die von der Wechselwirkung zwischen den Partikeln sowie von den betrachteten Zeit- und Längenskalen abhängen. Zur Untersuchung der Dynamik kommen meist komplementäre optische Verfahren zum Einsatz, wie etwa Mikroskopie oder die konventionelle homodyne dynamische Lichtstreuung (DLS). Bei der DLS wird das Streulicht mit Hilfe von Korrelationsverfahren in der Zeitdomäne analysiert. Für den Einsatz bei Hartkugel-Modellsuspensionen wurden weitergehende Verfahren entwickelt, die es in Kombination mit Brechungsindexanpassung erlauben, auch mehrfachstreuende Systeme zu untersuchen bzw. in nicht-ergodische Proben Ensemblemittelungen durchzuführen. Der instrumentelle Aufwand von Echo-Techniken, Kreuzkorrelations- oder Röntgenverfahren ist dabei jedoch oft beträchtlich. Geladene Kugeln bilden ein weiteres exzellentes Modellsystem, insbesondere für die Vielzahl an globulären Kolloiden, wie sie in der chemischen Industrie, der Biologie und in der Medizin angetroffen werden. Die Brechungsindexanpassung ist für diese wasserbasierten Systeme jedoch schwieriger und die bisherige Verfahren oft unzureichend um die Mehrfachstreuung effizient zu mindern. In unseren Vorarbeiten haben wir ein heterodynes Kleinwinkel-Lichtstreuverfahren entwickelt, welches das Streulicht im Frequenzraum analysiert und auch für stark mehrfachstreuende Systeme einen Zugang zu einer ensemblegemittelten Dynamik liefert. Hier wird daher vorgeschlagen, dieses Verfahren mit der bewährten Flexibilität eines konventionellen DLS-Goniometeraufbaus zu kombinieren. Die prinzipielle Eignung dieses Ansatzes konnte bereits an einfachen Systemen demonstriert werden. Ausgehend davon soll ein Doktorand nun eine verbesserte Vollversion konstruieren, die notwendigen Datenverarbeitungsalgorithmen und –auswerteroutinen entwickeln und zusammen mi der Mehrfachstreukorrektur implementieren, sowie das Gerät gründlich testen. Die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit von Messergebnisse soll anhand von Modellsystemen aber auch an industriellen und biologischen Proben im Vergleich mit konventioneller DLS und mit Kreuzkorrelations-DLS dokumentiert werden. Danach wollen wir die Vorteile des neuen Gerätes (Mehrfachstreukorrektur, Ensemblemittelung und Zugänglichkeit von komplexen dynamischen Prozessen auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen) auf zwei aktuelle Probleme anwenden, die wir in den Vorarbeiten identifieren konnten. Sowohl die Dynamik der Schmelze in den Spätstadien der Bildung polykristalliner Festkörper als auch die Relaxationsprozesse in niederkonzentrierten kolloidalen Gläsern aus geladenen Kugeln beinhalten interessante, aber erst wenig untersuchte Fragestellungen. Darüber hinaus wollen wir an diesen Beispielen sowohl die Flexibilität der neuen Methode als auch ihre vielfältigen potentiellen Einsatzmöglichkeiten für unterschiedlichste Soft Matter Systeme demonstrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen