Kritischer Casimir-Effekt in kolloidalen Modellsystemen

Abstract

In dieser Arbeit wird eine neuartige, in kolloidalen Systemen existierende Wechselwirkung, die kritische Casimir-Wechselwirkung, untersucht. 1978 wurde von Fisher und de Gennes eine attraktive fluktuationsinduzierte Wechselwirkung zwischen den in binären kritischen Flüssigkeiten suspendierten Oberflächen vorhergesagt. Erst vor kurzem konnte diese Wechselwirkung erstmalig an einem kolloidalen System experimentell direkt nachgewiesen werden. Die kritische Casimir-Wechselwirkung ist eine Wechselwirkung, die in binären kritischen Mischungen induziert werden kann und extrem sensitiv sowohl von der Temperatur der Probe als auch von der Beschaffenheit der wechselwirkenden Oberflächen abhängt. Kritische Casimir-Kräfte werden in der Nähe des kontinuierlichen Phasenübergangs durch das Eingrenzen der thermischen Fluktuationen des Lösungsmittels induziert. Dadurch wird eine erhebliche Änderung des effektiven Paarpotentials zwischen den kolloidalen Teilchen hervorgerufen. Die kritischen Casimir-Kräfte können durch minimale Temperaturänderungen eine kolloidale Suspension zur Flokkulation bringen. Sowohl die Amplitude als auch das Vorzeichen der induzierten Kräfte lassen sich dabei flexibel anpassen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Anwendung der kritischen Casimir-Kräfte in kolloidalen Modellsystemen zu untersuchen. In Kapitel 2 werden dazu die theoretischen Grundlagen des kritischen Casimir-Effekts erklärt und die wesentlichen Experimente diskutiert, die zur Untersuchung der kritischen Casimir-Wechselwirkungen bereits durchgeführt wurden. Außerdem werden weitere, für das verwendete experimentelle System relevante kolloidale Wechselwirkungen erläutert. Kapitel 3 befasst sich mit den experimentellen Aufbauten, die zur Generierung der kritischen Casimir-Wechselwirkungen in kolloidalen Systemen erforderlich sind. In Kapitel 4 werden experimentelle Ergebnisse präsentiert, welche eine kontrollierte Aggregation in kolloidalen Systemen mittels der kritischen Casimir-Wechselwirkung demonstrieren. Weil das Vorzeichen der kritischen Casimir-Wechselwirkung von Adsorptionseigenschaften der wechselwirkenden Oberflächen abhängt, bietet sich die Möglichkeit, die laterale Bewegung der kolloidalen Teilchen auf chemisch strukturierten Substraten lokal einzuschränken. Auf diese Weise können kolloidale Systeme manipuliert werden, indem sowohl einzelne kolloidale Teilchen festgehalten als auch mehrere kolloidale Teilchen kontrolliert angeordnet werden. In Kapitel 5 wird ein Modell einer binären Flüssigkeit mithilfe eines zweidimensionalen zweikomponentigen kolloidalen Systems realisiert. Die ausschlaggebenden Wechselwirkungen im System sind dabei die kritischen Casimir-Wechselwirkungen, die in einer homogenen Mischung aus zwei Kolloidsorten, die jeweils einen Unterschied in der Oberflächenadsorptionspräferenz aufweisen, eine Phasenseparation erzwingen können. Das Phasenverhalten des Systems wird durch eine minimale Variation der Temperatur, die eine Änderung der effektiven Wechselwirkungen zwischen den kolloidelen Teilchen hervorruft, sowie durch eine Variation der Zusammensetzung der kolloidalen Mischung untersucht. Dabei kann das mithilfe einfacher Modelle theoretisch vorhergesagte Phasenverhalten des Systems durch experimentelle Ergebnisse bestätigt werden. In Kapitel 6 werden die Mechanismen der Selbstorganisation der kolloidalen Teilchen mithilfe der kritischen Casimir-Kräfte um einen Schritt erweitert, indem auch eine chemische Strukturierung der Kolloidoberflächen vorgenommen wird. Kolloidale Teilchen, die auf ihrer Oberfläche Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweisen, werden als Janus-Teilchen bezeichnet. Zwischen solchen kolloidalen Teilchen können richtungsabhängige Wechselwirkungen induziert werden, die ein reiches Phasenverhalten bei der Selbstorganisation der kolloidalen Teilchen versprechen. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse zeigen anhand mehrerer Beispiele die vielseitige Anwendbarkeit des kritischen Casimir-Effekts in kolloidalen Systemen. Unter Ausnutzung des Effekts können kolloidale Systeme effizient manipuliert werden. Dabei können sowohl kolloidale Modellsysteme im Bereich der Grundlagenforschung als auch praktische Anwendungen zur Herstellung kolloidaler Strukturen mit einer vorgegebenen Geometrie kreiert werden.

In this work the employment of critical Casimir forces as a novel interaction in colloidal model systems has been studied. 1978 Fisher and de Gennes predicted an attractive interaction, which can be induced between interfaces immersed in a critical binary mixture. Only few years ago this interactions could be measured directly. Critical Casimir interactions induced in a critical binary mixture depend in an extremly sensitive way both on the state of the solvent and on the properties of the interacting surfaces. Lateral confinement of thermal fluctuations of the solvent close to its continuous phase transition leads to induction of forces. This brings a considerable change in the effective pair potential of the colloidal particles suspended in such a solvent. Critical Casimir forces can cause a flocculation of the suspension induced by minute changes in the temperature of the sample. Both the amplitude and the sign of the forces can be controlled in a flexible way. The aim of this work is to study the application of critical Casimir interactions in colloidal model systems. The work can thereby be divided in three main parts. In chapter 4 chemical structuring of the substrates is implemented in order to influence colloidal suspensions. Adjusting the adsorption properties of the substrate one can influence the aggregation behavior of colloidal particles. Experimental results demonstrate a controlled aggregation of colloidal particles by means of critical Casimir forces. Chemical structuring of the substrate on the length scale comparable to the size of colloidal particles creates a laterally varying potential for particles which are dispersed above. These potentials are used in order to localize colloidal particles on defined places, similar to the way it could be done by means of optical tweezers. In chapter 5 a model for a binary fluid is implemented by means of a two dimensional binary colloidal system. The crucial interactions in the system are the critical Casimir forces, which induce a phase separation in an initially homogeneous mixture of two colloidal components with an opposite adsorption preference. The phase behavior of the system according to the composition of the colloidal mixture is controlled by minute variations of the sample temperature. Experimental results showing the phase behavior of the system are confirmed by theoretical predictions gained by means of simple theoretical models. In chapter 6 the processes of the colloidal self assembly by means of critical Casimir forces becomes more complicated by structuring the surfaces of the colloidal particles. Colloidal particles exhibiting regions with different properties on their surfaces are called Janus particles. By means of critical Casimir forces it is possible to induce directional interactions between these particles. This implies systems with a rich phase behavior and interesting structures appearing during self assembly processes. Different methods for structuring colloidal particles which can be employed in a critical water-2,6-lutidine system are described. Furthermore primarily experimental results demonstrating the aggregation of Janus particles due to anisotropic critical Casimir forces are presented. The results shown in this work demonstrate the versatile applicability of critical Casimir forces in colloidal systems. Colloidal systems can be effectively manipulated employing the critical Casimir effect. Both model systems for basic research as well as applications for fabrication of colloidal structures with given geometry can be implemented.