Kristallisation in kolloidhaltigen Flüssigkeiten



Phasenübergänge wie das Gefrieren von Wasser oder das Erstarren einer metallischen Schmelze begegnen uns als alltägliche Erscheinungen. Ihr Verständnis ist in der Physik von fundamentaler Bedeutung. Da sie auf makroskopischer Ebene oft leicht wahrzunehmen und mitzuverfolgen sind, mag es umso mehr verwundern, dass die mikroskopischen Mechanismen des Erstarrens und Schmelzens bis heute nicht bekannt sind. Dies liegt daran, dass die Bausteine der meisten Materialien - Atome und Moleküle - wegen ihrer winzigen Dimensionen und ihrer schnellen Dynamik experimentell nur äußerst schwer zu erforschen sind.

Die Wissenschaftler wollen nun herausfinden, ob für diese Vorgänge kolloidhaltige Flüssigkeiten als Modellsysteme geeignet sind. Denn an diesen Modellsystemen könnten die Vorgänge während eines Phasenübergangs, etwa von fest zu flüssig, wesentlich einfacher untersucht werden. Als Kolloide bezeichnet man Teilchen oder Tröpfchen, die in einem anderen Medium - hier einer Flüssigkeit - fein verteilt sind. Sie besitzen einen Durchmesser zwischen zehn Nanometern und zehn Mikrometern.

Diese Partikel können derart präpariert werden, dass sie sich zum Beispiel elektrostatisch aufladen. Dies kann unter bestimmten Voraussetzungen dazu führen, dass sich Kolloide in kristallinen Strukturen anordnen. Im Gegensatz zu Atomen und Molekülen haben Kolloidpartikel aber den großen Vorteil, dass sie direkt beobachtet werden können, wenn ihr Durchmesser über 100 Nanometern liegt und die Wissenschaftler vorwiegend optische Messmethoden einsetzen können. Zudem ist ihre Dynamik aufgrund ihrer Größe viel langsamer und deshalb viel einfacher zu untersuchen als die Dynamik von Molekülen.

Aber auch kolloidale Systeme unterliegen der Schwerkraft, die den Phasenübergang maßgeblich beeinflussen kann. Experimente unter Schwerelosigkeits sind hier vonnöten, um die Eignung kolloidhaltigen Flüssigkeiten als Modellsysteme einwandfrei beurteilen zu können. In der 14ten DLR- Parabelflugkampagne beabsichtigen die Forscher insbesondere den zeitlichen Ablauf der Kristallisation in diesen Flüssigkeiten mit optisch spektroskopischen Methoden zu untersuchen.

Hierbei sollen einerseits die Kristallisationsvorgänge in kolloidalen Flüssigkeiten, die nur gleichgroße Teilchen. enthalten (monodisperse kolloidale Systeme), als auch solche untersucht werden, in denen gezielt Partikel einer zweiten Teilchengröße hinzugefügt werden (bidisperse kolloidale Systeme). Letztere Experimente können mit dem Erstarren mehrkomponentiger metallischer Schmelzen (Legierungen) verglichen werden.

Wenn kolloidhaltige Flüssigkeiten tatsächlich als Modell für Phasenübergänge in atomaren beziehungsweise molekularen Systemen Verwendung finden können, würde dies enorm zum physikalischen Verständnis technisch relevanter Prozesse wie etwa der Erstarrung von metallischen Schmelzen beitragen.


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Dr. Patrick Wette
DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum

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