Kleine, harte Partikel verändern das Fließverhalten großer, weicher Polymere

Die drei Skizzen zeigen die Zustände des Sternpolymer-Kolloid-Gemisches: abstoßendes Glas, Flüssigkeit und arretierte Entmischung.<br><br>Universität Wien/Christos Likos<br>

Die Grundlagen dafür erforscht Christos Likos, theoretischer Physiker an der Universität Wien, und sein Team. So untersucht er z.B. Sternpolymere, die sich aufgrund ihrer Justierbarkeit als ideales Modell weicher kolloidaler Systeme bewährt haben:

Durch eine Erhöhung der Anzahl ihrer „Arme“ verändern sie ihre Eigenschaften von weichen Kolloiden hin zu harten Kolloiden. Die Ergebnisse erscheinen in der aktuellen Ausgabe der „Physical Review Letters“.

Die Ergebnisse entwickelte ein Forschungsteam um Christos Likos von der Fakultät für Physik der Universität Wien zusammen mit ChemikerInnen in Ottawa, ExperimentalphysikerInnen in Heraklion und Montpellier sowie theoretischen PhysikerInnen in Bogota.

Gläser aus weichen Kolloiden bei hohen Dichten waren in der Vergangenheit bereits Ziel der Forschung: Durch die hohe Ansammlung von Teilchen wird ein einzelnes Partikel durch seine nächsten Nachbarn wie in einem Käfig eingesperrt und gleichzeitig gequetscht. Die Merkmale dieses „Käfigeffekts“ steuern die Stabilität und die Effizienz kommerzieller Produkte wie Beschichtungen, Cremes und Gels. Daher ist es wichtig sie zu verstehen, insbesondere mögliche, mit ihrer Verarbeitung und dem Endprodukt verbundene Fest-Flüssig-Übergänge.

Die WissenschafterInnen konnten zeigen, dass die Zugabe von harten Partikeln zu einem weichen Glas zu einem neuartigen und vielfältigen Morphologiediagramm führt: Während anfangs das weiche Glas aufgrund einer „Verarmung“ (d.h. durch das Aufbrechen der „Käfige“ durch Kollisionen mit den harten Kugeln) schmilzt, entwickelt das System schließlich eine Tendenz zur Phasentrennung. Aufgrund der hohen Dichte und der hohen Attraktivität der Sternpolymere, die durch die Zugabe kleiner Teilchen induziert wird, beobachtet man einen Zustand der arretierten Entmischung. Daher führt das Hinzufügen von kleinen, harten Kugeln zu Gläsern aus großen, weichen Kugeln zu einem Phasenübergang von einem abstoßenden Glas hin zu einer Flüssigkeit und schließlich zu einem Zustand der arretierten Entmischung.

Diese Ergebnisse, die aus einer Kombination aus sorgfältig gestalteten Experimenten, Mode-Coupling-Theory (Modenkopplungstheorie) und Simulationen entstanden sind, eröffnen neue Zugänge zur Untersuchung des Einflusses von Kopplungsteilchen-Wechselwirkungen auf die Eigenschaften kolloidaler Mischungen und Möglichkeiten für die Entwicklung kolloidaler Verbundstoffe mit gewünschten Eigenschaften.

Publikation in Physical Review Letters:
Glassy States in Asymmetric Mixtures of Soft and Hard Colloids: Domenico Truzzolillo, Daniela Marzi, John Marakis, Barbara Capone, Manuel Camargo, Abdul Munam, Firmin Moingeon, Mario Gauthier, Christos N. Likos and Dimitris Vlassopoulos. Physical Review Letters, November 2013.

DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.208301

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