Complex Fluids

Dieses Projekt ist unser Grundlagenforschungsprojekt, in dem wir uns auf die Entwicklung neuer Techniken oder neuer Anwendungsmöglichkeiten konzentrieren. wir möchten unsere Arbeiten im Bereich von "Complex Fluids", die wir im Rahmen des Projekts P10628-CHE begonnen haben, mit neuen Zielsetzungen fortführen. Wir wollen Struktur, Wechselwirkung und Dynamik komplexer Fluide im Bereich von Nanometerstrukturen bis zu Mikrometer großen Emulsionströpfchen studieren. Die Strukturen sind dabei u.a. sphärische und zylindrische Mizellen, kubische und hexagonale Phasen, verzweigte Zylinderstrukturen, bikontinuierliche L3 Phasen und steife Gele. Eine gemeinsame Eigenschaft dieser komplexen Fluide ist die Tatsache, daß ihre Strukturen stark von der Konzentration abhängen und letztere üblicherweise viel höher ist als in ideal verdünnten Systemen. Wir wollen diese Probleme mit verschiedenen Streumethoden lösen. Röntgen- und Neutronenkleinwinkelstreuung können benützt werden, um Strukturen in komplexen Fluiden im Größenbereich von einigen Nanometern s bis zu ca. 100 Nanometern zu untersuchen. Die statische Lichtstreuung beginnt bei ca. 50 nm und ist die Methode der Wahl zur Teilchengrößenbestimmung bis zu einigen Mikrometern, während die dynamische Lichtstreuung (DLS) die Messung der Dynamik (Translations- und Rotationsdiffusionskonstante) im gesamten Größenbereich der statischen Streumethoden gestattet. Im Bereich der Kleinwinkelstreuung wollen wir mit der Entwicklung der globalen Auswertetechnik, die auf einer generalisierten indirekten Fourier Transformation beruht, weiterarbeiten. Der Einsatz dieser neuen Technik ermöglicht uns erstmals die simultane Bestimmung des Teilchenformfaktors und des Strukturfaktors (interpartikuläre Wechselwirkung) aus experimentellen Daten. Im Bereich der DLS wollen wir uns auf die depolarisierte dynamische Lichtstreuung und auf die DLS an nichtergodischen Systemen konzentrieren. Die depolarisierte DLS ermöglicht die Messung der Rotations- und Translationdiffusionkoeffizienten nicht kugelförmiger Objekte und ist damit eine ideale Technik, um den Übergang von sphärischen zu zylindrischen Mizellen zu studieren und um die mittlere Länge der Teilchen zu bestimmen. Systeme wie steife Gele mit teilweise fixierten Strukturen werden als nichtergodisch bezeichnet und zeigen in dynamischen Lichtstreueexperimenten stark verändertes kinetisches Verhalten, wenn man sie mit völlig fluiden Systemen vergleicht. Statische Lichtstreuung in dünnen Planzellen ist eine neue von uns entwickelte Technik, um konzentrierte und trübe Emulsionen mit Tröpfchengrößen von mehr als 50 Nanometern zu untersuchen. Mehrfachstreubeiträge eliminieren wir nun mit einer neuen numerischen Routine, so daß wir solche trüben Systeme ohne Verdünnung studieren können. Wir planen die Weiterentwicklung all dieser Techniken sowie die Durchführung exemplarischer Anwendungen mit unterschiedlichen Proben wie Tensidlösungen, Mikroemulsionen, Gelen und aggregierenden Systemen.

Komplexe Fluide sind Systeme, die aus mindestens zwei Stoffen bestehen wie z.B. Öl-Wasser Emulsionen oder kolloidale Suspensionen. Sie können in einem weiten Größenbereich strukturiert sein, der von Nanometern bis Mikrometern reicht. Neutronen und Röntgenstrahlen müssen für das Studium nano-strukturierter Fluide verwendet werden, während die Struktur und Dynamik größerer Systeme mit statischer und dynamischer Lichtstreuung gemessen wird. In unserem Projekt haben wir alle diese Methoden verwendet und für die Charakterisierung komplexer Fluide verbessert. Nano-strukturierte komplexe Fluide werden durch konzentra-tionsabhängige Self- Assembly Prozesse gebildet, d.h. solche Systeme müssen bei der gegebenen Konzentration untersucht werden. Es ist uns gelungen neue Auswertemethoden zu entwickeln, die eine Verdünnung bei der Untersuchung vermeiden helfen. Mit dieser Technik können wir die Information über die individuellen Strukturelemente - z.B. Emulsionströpf-chen - von der Information über ihre räumliche Anordnung, die durch ihre Wechselwirkung entsteht, abtrennen. Wir konnten diese neue Technik sowohl in der Grundlagenforschung als auch bei angewandten Problemstellungen wie Mirkoemulsionen im Lebensmittelbereich - auch unter Functional Food bekannt - zur Anwendung bringen. Lichtstreuung an Fluiden mit Strukturen im Mikrometerbereich werden stark durch Mehrfachstreuung behindert, die Fluide - wie z.B. Milch - sind trüb! Wir konnten das Problem durch die Entwicklung eines neuen Instruments mit extrem dünnen Messzellen weitgehend überwinden. So konnten wir mit diesem Gerät die Bildung von Käse zum ersten Mal in der natürlichen Konzentration messen, in früheren Studien musste die Milch um mindestens einen Faktor Hundert verdünnt werden, kein guter Startpunkt um Käse zu erzeugen! Diese Untersuchungsmethode kann natürlich auch wieder in der Grundlagenforschung eingesetzt werden. So konnten wir sowohl die Größe als auch die Wechselwirkung ca. 1 Mikron großer Emulsionströpfchen mit Volumenbrüchen bis zu 50% bestimmen. Die dynamische Lichtstreuung misst Bewegungen in den Fluiden - typischerweise Translations- und Rotationsdiffusion. Diese Methode ist u.a. bestens geeignet um die Gelbildung in komplexen Fluiden ohne externe Scherkräfte, wie sie in der Rheologie auftreten, zu untersuchen. Sie zeigt den zunehmenden Anteil immobilisierter Strukturanteile und erlaubt es die lokale Diffusionsdynamik während der Gelierung zu verfolgen. Wir haben diese Prozesse an Hand einer konzentrierten Lösung spezielle Polymere studiert. Diese Polymere aggregieren in Form kleiner kugelförmiger Teilchen und bilden ein transparentes Gel. Das selbe Polymer bildet bei Temperaturen über 50C elongierte, wurmartige Nanometer große Strukturen, deren Längenwachstum wir mit der Methode der depolarisierten, dynamischen Lichtstreuung erfolgreich verfolgen konnten.