Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Überraschendes Phänomen bei der Kristallbildung entdeckt

12.02.2016

Kügelchen von leicht unterschiedlicher Größe kristallisieren schneller – Modellexperimente mit kolloiden Kristallen helfen Computersimulationen

Winzig kleine, in Wasser verteilte Plastikkügelchen ordnen sich schneller in einer Kristallstruktur an, wenn sie von leicht unterschiedlicher Größe sind, als gleich große Kugeln. Dieses überraschende Phänomen haben Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) bei der Untersuchung von Kolloiden entdeckt.


Drei 1-2 Millimeter große Kristallite während des Wachstums: Unter dem Polarisationsmikroskop offenbart sich die ganze Schönheit dieser Objekte, während die weniger gut geordnete Schmelze dunkel bleibt. Je nach Orientierung der Kriställchen schimmern sie in anderen phantastischen Farben. Bei näherem Hinsehen sind auch die feinen Unterschiede im Kristallbau und die leicht fransige Oberfläche zu erkennen - beides typisch für eine geringe Oberflächenspannung.

Foto/©: KOMET336, Institut für Physik, JGU


Typische kolloidale Suspensionen unterschiedlicher Konzentration: Die Proben bestehen aus 68±3 Nanometer großen, negativ geladenen Kügelchen aus Polystyrol. Die Konzentration nimmt von links nach rechts zu. Aus der fast klaren Flüssigkeit wird zunächst eine rosa schimmernde, milchige Flüssigkeit und dann ein Festkörper mit vielen kleinen Kristallen. Die rote Färbung zeigt, dass der mittlere Abstand zwischen zwei Kügelchen etwa so groß ist wie eine Wellenlänge roten Lichts (610 Nanometer).

Foto/©: KOMET336, Institut für Physik, JGU

Kolloide sind Teilchen von weniger als einem tausendstel Millimeter Größe, die als Schwebstoffe fein verteilt in einem Trägermedium schwimmen. Ein klassisches Beispiel ist die Milch mit ihren kleinen Fetttröpfchen, die im Wasser schweben. Physiker nutzen solche kolloidalen Suspensionen für Modellexperimente, unter anderem zur Überprüfung von Computersimulationen.

Die Arbeitsgruppe von Univ.-Prof. Dr. Thomas Palberg am Institut für Physik beobachtet die Kristallbildung von solchen in Wasser schwebenden Plastikkügelchen mit Videomikroskopie oder anderen optischen Methoden.

Ein besonders beliebtes Modellsystem sind elektrostatisch negativ geladene Kugeln in salzarmem oder destilliertem Wasser. Bereits mit bloßem Auge lässt sich erkennen, wie die Probe bei zunehmender Konzentration der Kügelchen zunächst stark milchig wird und schließlich kleine Kristalle bildet, die in allen Regenbogenfarben schillern. Unter dem Mikroskop ist zu sehen, dass sich die Schwebeteilchen zu einer regelmäßigen Gitterstruktur angeordnet haben wie bei einem Schmuckopal.

Bei dem jetzigen Versuch haben die Physiker Suspensionen mit Kügelchen verschiedener Größe und Größenverteilung untersucht. Erstaunlicherweise konnten sie feststellen, dass die Kristallbildung durch leichte Größenunterschiede der Kugeln kontinuierlich beschleunigt wurde – und zwar bis zu einem Größenunterschied von acht Prozent.

Größere Abweichungen werden nicht toleriert, stattdessen geht die Geschwindigkeit der Kristallisation dann drastisch zurück, weil mehr Zeit für die Sortierung der Kugeln in Kristalle aus vorwiegend großen oder vorwiegend kleinen Kugeln nötig wird. „Wir waren über diesen Effekt sehr überrascht, weil wir intuitiv erwartet hätten, dass gleich große Kugeln schneller kristallisieren“, sagt Thomas Palberg zu dem Ergebnis. „Aber offenbar lassen sich ungleich große Kugeln schneller in ein Gitter packen, auch wenn es am Ende vielleicht nicht so schön aussieht.“

Oberflächenspannung zwischen Kristall und Schmelze entscheidend

Der physikalische Grund für die unerwartet schnelle Kristallisation ist eine geringere Oberflächenspannung zwischen dem Kristall und seiner umgebenden Schmelze. „Wir können zeigen, dass die Oberflächenspannung eng gekoppelt ist an die Differenz zwischen dem Ausmaß der Unordnung in der Schmelze und dem Ausmaß der Unordnung im festen Zustand“, ergänzt der Physiker.

„Natürlich ist eine Schmelze viel ungeordneter als ein Kristall. Aber gerade deswegen ist die perfekte Ordnung des Kristalls leicht durch ein paar Kügelchen abweichender Größe zu stören, während man in der Schmelze die Zunahme der Unordnung kaum bemerken würde. Der Unterschied der Unordnung und damit die Oberflächenspannung nehmen also ab, wenn leicht unterschiedliche Kugeln verwendet werden. In der Folge wird dann die Kristallbildung wesentlich einfacher und schneller.“ Dies könnte auch erklären, weshalb im Computer simulierte, gleichmäßig große Kugeln viel zu langsam kristallisieren.

Veröffentlichung:
Thomas Palberg, Patrick Wette, Dieter M. Herlach
Equilibrium fluid-crystal interfacial free energy of bcc-crystallizing aqueous suspensions of polydisperse charged spheres
Physical Review E, 3. Februar 2016
DOI: 10.1103/PhysRevE.93.022601


Weitere Informationen:
Univ.-Prof. Dr. Thomas Palberg
Physik der Kondensierten Materie (KOMET)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23638
Fax: +49 6131-39-23807
E-Mail: palberg@uni-mainz.de
http://kolloid.physik.uni-mainz.de/people01.php

Weitere Links:
http://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.93.022601 (Abstract)

Petra Giegerich | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht
29.05.2017 | Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

Der steigende Bedarf an schneller, leistungsfähiger Datenübertragung erfordert die Entwicklung neuer Verfahren zur verlustarmen und störungsfreien Übermittlung von optischen Informationssignalen. Wissenschaftler der Universität Johannesburg, des Instituts für Angewandte Optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) präsentieren im Fachblatt „Journal of Optics“ eine neue Möglichkeit, glasfaserbasierte und kabellose optische Datenübertragung effizient miteinander zu verbinden.

Dank des Internets können wir in Sekundenbruchteilen mit Menschen rund um den Globus in Kontakt treten. Damit die Kommunikation reibungslos funktioniert,...

Im Focus: Strathclyde-led research develops world's highest gain high-power laser amplifier

The world's highest gain high power laser amplifier - by many orders of magnitude - has been developed in research led at the University of Strathclyde.

The researchers demonstrated the feasibility of using plasma to amplify short laser pulses of picojoule-level energy up to 100 millijoules, which is a 'gain'...

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Lebensdauer alternder Brücken - prüfen und vorausschauen

29.05.2017 | Veranstaltungen

49. eucen-Konferenz zum Thema Lebenslanges Lernen an Universitäten

29.05.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz an der Schnittstelle von Literatur, Kultur und Wirtschaft

29.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

29.05.2017 | Physik Astronomie

Deutschlandweit erstmalig: Selbstauflösender Bronchial-Stent für Säugling

29.05.2017 | Medizintechnik

Professionelle Mooszucht für den Klimaschutz – Projektstart in Greifswald

29.05.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz