Kolloide Suspensionen als Modellsysteme für Metalle?



Experimente an Kolloiden
In metallischen Systemen ist es schwierig, die Kristallkeimbildung in der unterkühlten Schmelze direkt zu beobachten. Daher ist es vom Experiment kaum möglich zwischen homogener und heterogener Keimbildung zu unterscheiden. Auch wichtige Parameter zur quantitativen Analyse von Keimbildungsprozessen wie z.B. die Grenzflächenenergie zwischen unterkühlter Schmelze und Kristallkeimbleiben der experimentellen Bestimmung unzugänglich. Daher haben wir unsere Untersuchungen auf kolloidale Suspensionen ausgedehnt. Kolloide bestehen aus meist kugelförmigen Partikeln einer Größe von 100 nm bis etwa 1 µm, die in einer Trägerflüssigkeit (Wasser, Öl, Elektrolyte...) suspendiert sind. Wir benutzen Elektrolyte als Trägersystem, da man durch Änderung der Elektrolytkonzentration das Wechselwirkungspotential zwischen den Partikeln durch stimmen kann. Auch die Relaxation bei Phasenänderungen verläuft in Kolloiden deutlich träger als in den atomaren metallischen Systemen. Aufgrund der veränderten Längen und Zeitskalen und der optischen Transparenz von kolloidalen Suspensionen können Vorgänge wie Keimbildung und Wachstum von Kristallen durch optische Mikroskopie direkt beobachtet werden und bei Anwendung der konfokalen Mikroskopie sogar dreidimensional reproduziert werden. Daher erscheinen Kolloide als ideale Modellsysteme, um Mechanismen wie Keimbildung und Kristallwachstum direkt zu studieren und Modellvorstellungen zu überprüfen.

Kolloidale Suspensionen werden durch gravitaionsbedingte Effekte wie Konvektion und Sedimentation beeinflusst. Sie ändern die Teilchenverteilung in der Trägerflüssigkeit und auch die Wechselwirkungspotentiale der Teilchen in elektrolytischen Trägerflüssigkeiten. Experimente in reduzierter Schwerkraft werden helfen, diese gravitationsbedingten Effekte weitgehend auszuschalten und das intrinsische Verhalten des Systems bezüglich Keimbildung und Wachstum von Kolloidkristallen zu studieren.

Lichstreuanlage zur Untersuchung kolloidaler Suspensionen.

Die Experimente an Kolloiden zielen darauf ab, zunächst den Strukturfaktor kolloidaler Flüssigkeiten durch ”Ultra Small Angle X-ray Scattering” (USAXS) am HASYLAB Hamburg zu bestimmen, um Erkenntnisse zur Nahordnung zu gewinnen. In jüngster Zeit wurde im Institut für Materialphysik im Weltraum eine moderne Anlage aufgebaut, mit der Streuexperimente an kolloiden Suspensionen möglich sind, Diese Experimente mit Lichtstreuung erlauben es, das Wachstum kolloidaler Kristalle zu beobachten und daraus die Differenz der chemischen Potentiale zwischen flüssiger und fester Phase zu ermitteln. Diese Differenz ist ein Maß für die Abweichung vom thermodynamischen Gleichgewicht und wird genutzt, um Keimbildungsraten als Funktion der Abweichungen vom Gleichgewicht zu modellieren und diese mit den gemessenen Keimbildungsraten zu vergleichen. Im Falle homogener Keimbildung, die beobachtbar ist, lässt sich aus solchen Experimenten die Grenzflächenenergie zwischen flüssiger und fester Phase bestimmen, die in Metallen der direkten Messung entzogen ist.


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