Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Weiche Schale, harter Kern: perfektes Glas aus ultrasoften Kolloiden

21.09.2015

Der Glaszustand gibt Physikern immer noch viele Rätsel auf. Doch Jülicher Wissenschaftler konnten nun einen Zusammenhang feststellen zwischen der Bewegung einzelner Teilchen und den Fließeigenschaften bis hin zu dem Punkt, an dem das Material glasartig erstarrt.

Diese Beziehung wird auch durch die sogenannte Stokes-Einstein-Gleichung erfasst, die aber meist schon weit vor dem Glasübergang ihre Gültigkeit verliert. Anders im aktuellen Fall, in dem extrem weiche Kolloide dafür sorgen, dass die Beziehung erhalten bleibt. Die Ergebnisse sind im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht und eröffnen neue Möglichkeiten, die Fließeigenschaften von Nano-Materialien zu verbessern.


Ultraweiche Kolloide, die bis zum Glasübergang einheitlich beweglich bleiben.

Universidad Antonio Nariño / Forschungszentrum Jülich

Gläser weisen in vielerlei Hinsicht widersprüchliche Eigenschaften auf. Gewonnen werden sie meist durch das Abkühlen einer Flüssigkeit, das so rasch vonstattengeht, dass die Moleküle nicht zu einer geordneten Kristallstruktur zusammenfinden. Die mikroskopische Struktur von Gläsern ähnelt daher der einer Flüssigkeit, doch mechanisch verhalten sie sich eher wie ein Festkörper.

Und auch ihre Dynamik, also das Verhalten von Gläsern bei Bewegung, passt nicht so recht ins Schema. Für gewöhnlich hängt die Fließfähigkeit einer Lösung direkt damit zusammen, wie beweglich die einzelnen Teilchen sind. Aber schon kurz vor dem Glasübergang wird dieser Zusammenhang außer Kraft gesetzt.

Grund dafür ist die zunehmend unterschiedliche Mobilität der Teilchen: Zu den frei beweglichen Teilchen gesellen sich immer mehr Partikel, die fest an einen Ort gebunden sind. Die Beweglichkeit eines einzelnen Teilchens ist damit kaum noch repräsentativ für die Fließfähigkeit der gesamten Lösung.

Für Physiker interessant ist auch die Tatsache, dass Flüssigkeiten kurz vor dem Glasübergang nicht weiter der Stokes-Einstein-Gleichung gehorchen. Albert Einstein hatte mit dieser Gleichung bereits im Jahre 1905 beschrieben, wie die Viskosität einer Flüssigkeit mit der Diffusionsgeschwindigkeit zusammenhängt und auf diese Weise eine Beziehung zwischen den mikro- und makroskopischen Eigenschaften hergestellt.

Das Besondere an den Kolloiden, die Jülicher Wissenschaftler nun gemeinsam mit Partnern aus den USA, Italien, Österreich, Kolumbien und Schweden untersucht haben, ist, dass diese Beziehung bis zum Glasübergang gültig bleibt. Mithilfe von Computersimulationen und Experimenten konnten die Forscher zeigen, dass die gelösten Kolloide so lange einheitlich beweglich bleiben, bis die Lösung zum Glas erstarrt.

Die gelösten Partikel sind dabei deutlich größer als die Moleküle, in der Regel Silikate, aus denen normale Trink- und Fenstergläser bestehen. Entscheidend für das modellhafte Verhalten der Kolloide ist ihre außergewöhnliche Weichheit. Harte Kolloide verhalten sich in der Nähe des Glasübergangs nämlich ähnlich unberechenbar wie die allermeisten anderen glasbildenden Flüssigkeiten, wie frühere Versuche gezeigt haben.

Für die Herstellung der ultrasoften Kolloide griffen die Wissenschaftler auf ein Modellsystem zurück, eine Art „Rezeptbuch für Kolloide“, das sie erst kürzlich in der Fachzeitschrift „Nanoscale“ vorgestellt hatten (siehe Pressemitteilung vom 14. August 2015). Die gewonnenen Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf die Physik des Glasübergangs und könnten zudem dazu beitragen, die Eigenschaften weicher Kolloide gezielt zu verbessern. Weiche Kolloide werden schon heute vielfältig industriell genutzt, etwa um Dispersionsfarben und Kosmetika die gewünschte Konsistenz zu verleihen oder die Fließeigenschaften bei der Erdölförderung anzupassen.

Originalpublikation:
S. Gupta, J. Stellbrink, E. Zaccarelli, C.N. Likos, M. Camargo, P. Holmqvist, J. Allgaier, L. Willner, D. Richter
Validity of Stokes-Einstein Relation in Soft Colloids up to the Glass Transition
Phys. Rev. Lett. 115, 128302 – Published 16 September 2015, DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.128302
Abstract: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.128302

Weitere Informationen:
Pressemitteilung vom 14. August 2015, „Rezeptbuch für Kolloide“: http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-08-14-nanot...
Jülich Centre for Neutron Science, Neutronenstreuung (ICS-1 / JCNS-1): http://www.fz-juelich.de/ics/ics-1/DE/Home/home_node.html

Ansprechpartner:
Dr. Jörg Stellbrink, Jülich Centre for Neutron Science, Neutronenstreuung (ICS-1 / JCNS-1)
Tel. +49 2461 61-6683
j.stellbrink@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Tobias Schlößer, Unternehmenskommunikation
Tel. +49 2461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich
Tel. +49 2461 61-6048
a.wenzik@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-09-18prl_gl...

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht TFK entwickelt Herstellungsverfahren für großflächige Metalldrahtnetze zum Einsatz in der Raumfahrt
09.07.2020 | Hochschule Hof - University of Applied Sciences

nachricht Löchrige Graphenbänder mit Stickstoff für Elektronik und Quantencomputing
08.07.2020 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Elektrische Spannung aus Elektronenspin – Batterie der Zukunft?

Forschern der Technischen Universität Ilmenau ist es gelungen, sich den Eigendrehimpuls von Elektronen – den sogenannten Elektronenspin, kurz: Spin – zunutze zu machen, um elektrische Spannung zu erzeugen. Noch sind die gemessenen Spannungen winzig klein, doch hoffen die Wissenschaftler, auf der Basis ihrer Arbeiten hochleistungsfähige Batterien der Zukunft möglich zu machen. Die Forschungsarbeiten des Teams um Prof. Christian Cierpka und Prof. Jörg Schumacher vom Institut für Thermo- und Fluiddynamik wurden soeben im renommierten Journal Physical Review Applied veröffentlicht.

Laptop- und Handyspeicher der neuesten Generation nutzen Erkenntnisse eines der jüngsten Forschungsgebiete der Nanoelektronik: der Spintronik. Die heutige...

Im Focus: Neue Erkenntnisse über Flüssigkeiten, die ohne Widerstand fließen

Verlustfreie Stromleitung bei Raumtemperatur? Ein Material, das diese Eigenschaft aufweist, also bei Raumtemperatur supraleitend ist, könnte die Energieversorgung revolutionieren. Wissenschaftlern vom Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ an der Universität Hamburg ist es nun erstmals gelungen, starke Hinweise auf Suprafluidität in einer zweidimensionalen Gaswolke zu beobachten. Sie berichten im renommierten Magazin „Science“ über ihre Experimente, in denen zentrale Aspekte der Supraleitung in einem Modellsystem untersucht werden können.

Es gibt Dinge, die eigentlich nicht passieren sollten. So kann z. B. Wasser nicht durch die Glaswand von einem Glas in ein anderes fließen. Erstaunlicherweise...

Im Focus: The spin state story: Observation of the quantum spin liquid state in novel material

New insight into the spin behavior in an exotic state of matter puts us closer to next-generation spintronic devices

Aside from the deep understanding of the natural world that quantum physics theory offers, scientists worldwide are working tirelessly to bring forth a...

Im Focus: Im Takt der Atome: Göttinger Physiker nutzen Schwingungen von Atomen zur Kontrolle eines Phasenübergangs

Chemische Reaktionen mit kurzen Lichtblitzen filmen und steuern – dieses Ziel liegt dem Forschungsfeld der „Femtochemie“ zugrunde. Mit Hilfe mehrerer aufeinanderfolgender Laserpulse sollen dabei atomare Bindungen punktgenau angeregt und nach Wunsch aufgespalten werden. Bisher konnte dies für ausgewählte Moleküle realisiert werden. Forschern der Universität Göttingen und des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen ist es nun gelungen, dieses Prinzip auf einen Festkörper zu übertragen und dessen Kristallstruktur an der Oberfläche zu kontrollieren. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Das Team um Jan Gerrit Horstmann und Prof. Dr. Claus Ropers bedampfte hierfür einen Silizium-Kristall mit einer hauchdünnen Lage Indium und kühlte den Kristall...

Im Focus: Neue Methode führt zehnmal schneller zum Corona-Testergebnis

Forschende der Universität Bielefeld stellen beschleunigtes Verfahren vor

Einen Test auf SARS-CoV-2 durchzuführen und auszuwerten dauert aktuell mehr als zwei Stunden – und so kann ein Labor pro Tag nur eine sehr begrenzte Zahl von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Intensiv- und Notfallmedizin: „Virtueller DIVI-Kongress ist ein Novum für 6.000 Teilnehmer“

08.07.2020 | Veranstaltungen

Größte nationale Tagung für Nuklearmedizin

07.07.2020 | Veranstaltungen

Corona-Apps gegen COVID-19: Nationalakademie Leopoldina veranstaltet internationales virtuelles Podiumsgespräch

07.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Erster Test für neues Roboter-Umweltmonitoring-System der TU Bergakademie Freiberg

10.07.2020 | Informationstechnologie

Binnenschifffahrt soll revolutioniert werden: Erst ferngesteuert, dann selbstfahrend

10.07.2020 | Verkehr Logistik

Robuste Hochleistungs-Datenspeicher durch magnetische Anisotropie

10.07.2020 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics