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Kolloidale Wechselwirkungen in binären Flüssigkeiten
(2011) Nellen, Ursula; Clemens, Bechinger (Prof. Dr.)
In dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass das reichhaltige Phasenverhalten binärer Flüssigkeiten vielfältige kolloidale Wechselwirkungen vermittelt. Die Kräfte sind unterschiedlichen Ursprungs und können durch verschiedene äußere Parameter wie z.B. Temperatur, Oberflächeneigenschaften, Komposition oder Salzkonzentration der Flüssigkeit eingestellt werden. Für die Untersuchung kolloidaler Wechselwirkungen in binären Flüssigkeiten ist mit Hilfe der Totalen-Internen-Reflektionsmikroskopie das Wechselwirkungspotential zwischen einem Glassubstrat und einem kolloidalen Teilchen, das in einer Wasser-2,6-Lutidin-Mischung suspendiert ist, ausgemessen worden. Diese Technik wurde für die spezielle Anwendung weiter optimiert und mit einem zusätzlichem Lichtstreuexperiment kombiniert, mit dessen Hilfe die Temperatur stabilisiert wird. Mit der verbesserten Messtechnik wurde gezeigt, dass sowohl das Vorzeichen als auch die Stärke kritischer Casimirkräfte über die Randbedingungen kontinuierlich eingestellt werden können. Dabei hat sich herausgestellt, dass relativ kleine Änderungen der Benetzungseigenschaften einer Oberfläche die Stärke eines Oberflächenfeldes massiv beeinflussen. Wird das kritische Casimirpotential zwischen Teilchen und Substrat bei konstanter Temperatur an verschiedenen Stellen des Gradienten gemessen, so ist ein kontinuierlicher Übergang von einer Attraktion zu einer Repulsion zu beobachten. Durch Temperaturvariationen konnten außerdem die Skalenfunktionen an verschiedenen Positionen des Gradienten experimentell ausgemessen werden. Insgesamt belegt diese Messreihe die theoretische Vorhersage, dass kritische Casimirkräfte nicht nur auf kleinste Temperaturänderungen reagieren, sondern auch empfindlich von den chemischen Oberflächeneigenschaften abhängen. In einer zweiten Studie wurden kolloidale Wechselwirkungen in salzhaltigen binären Flüssigkeiten untersucht. Durch die erhöhte Ionenkonzentration werden Oberflächenladungen abgeschirmt und der mittlere Partikel-Wand-Abstand reduziert. Der verkürzte Abstand vergrößert den Temperaturbereich, in dem kritische Casimirkräfte nachgewiesen werden können. So wurde eine fluktuationsinduzierte Attraktion unter symmetrischen Randbedingungen mehrere Kelvin unterhalb der kritischen Temperatur beobachtet. Für antisymmetrische Randbedingungen setzt eine attraktive Kraft in einem vergleichbaren Temperaturbereich ein. Erst in unmittelbarer Nähe zum kritischen Punkt schlägt diese Anziehung in eine Repulsion um. In salzfreien binären Flüssigkeiten wurde für diese Randbedingungen hingegen stets eine Repulsion beobachtet. Mit Röntgenstreuexperimenten konnte nachgewiesen werden, dass das kritische Verhalten der binären Flüssigkeit im Volumen nicht durch die Salzzugabe modifiziert worden ist. Die einzig mögliche Erklärung für die Messergebnisse liefert daher eine zusätzliche Kraft, die in salzhaltigen binären Flüssigkeiten wirkt. Ein theoretischer Ansatz, der eine plausbile Interpretation der Messdaten liefert, berücksichtigt die Kopplung der anisotrope Ionenverteilung vor einer geladenen Oberfläche und der Adsoptionsschicht. Neben dem Salzgehalt ist die Komposition der binären Mischungen selbst ein weiterer interessanter Parameter, dessen Variation weitere kolloidale Wechselwirkungen erschließt. Deshalb wurden kolloidale Wechselwirkungen in nicht-kritischen binären Flüssigkeiten untersucht. Für symmetrische Randbedingungen wurde auf der Seite des Phasendiagramms, die arm an der bevorzugt adsorbierten Flüssigkeitskomponente ist, eine starke Attraktion beobachtet. Während des Heizens und Abkühlens der Flüssigkeit setzte die Attraktion bei verschiedenen Temperaturen ein. Dieses Hystereseverhalten ist ein Anzeichen für das Wirken von Kapillarkräften. Die Vielfalt der Kräfte, die in binären Flüssigkeiten auftreten können erweckt zunehmendes Interesse und eröffnet mit der Möglichkeit, kolloidale Wechselwirkungen reversibel einzustellen, verschiedenste Anwendungsmöglichkeiten.