Komplexe Fluide II - Struktur, Wechselwirkung und Dynamik

Komplexe Fluide bestehen aus zwei oder mehreren Komponenten wie Wasser, mit Tensid und Öl, oder mit suspendierten Partikeln. Auf Grund ihrer molekularen Struktur sind sie von sich aus in der Lage geordnete Strukturen zu bilden ("Self-Assembly"). Diese Strukturen können sehr klein sein, z.B. im Nanometerbereich, und die Flüssigkeit erscheint dadurch klar wie reines Wasser, obwohl große Mengen Öl gelöst sind. Die Strukturen können aber auch künstlich durch Energieeintrag erzeugt und stabilisiert werden und haben dann eine Größe im Mikrometerbereich und sind daher meist trüb (Emulsionen wie z.B. Milch). Wird Self-Assembly mit externer Stabilisierung kombiniert, so entstehen hierarchische Strukturen, im Nanometerbereich selbstgeordnet und im Mikrometerbereich künstlich geformt. Zur Charakterisierung solcher Strukturen sind Streumethoden (Laserlicht, Röntgen- und Neutronenstrahlung) bestens geeignet. In dem vorliegenden Projekt geht es darum, hochkonzentrierte komplexe Fluide zu studieren, wobei sich die Teilchen oder Substrukturen so nahe kommen, dass sie stark miteinander wechselwirken. Die Interpretation der Streudaten von solchen dichten, wechselwirkenden Systemen ist äußerst schwierig. Im Verlaufe des Vorgängerprojekts ist es gelungen, ein weltweit einzigartiges Verfahren zur möglichst voraussetzungsfreien Interpretation solcher Systeme zu entwickeln und auch bereits an einigen Fragestellungen erfolgreich anzuwenden. Diese Methodik soll in diesem Projekt weiter entwickelt werden. Die neuen Interpretationsmöglichkeiten machen aber auch Verbesserungen an den experimentellen Einrichtungen nötig um Daten in der erforderlichen Qualität messen zu können. Durch die Wechselwirkungen kann es zu hochgeordneten, lamellaren Strukturen kommen (ähnlich wie bei einem Stapel von Papierblättern). Durch gegenseitige Anziehung (attraktive Wechselwirkung) kann ein Gel oder ein fester, glasartiger Zustand entstehen, wobei äußere Scherkräfte zur Ausbildung kristallartiger Ordnung führen können. Komplexe Fluide zeigen nicht nur eine Vielzahl unterschiedlicher räumlicher Strukturen, sondern auch variable innere Dynamik (Diffusion) und Kinetik bei Umordnungsprozessen. Die Erforschung dieser Strukturen, Wechselwirkungen und dynamischen Prozesse ist nicht nur von Interesse für die Grundlagenforschung sondern hat auch viele Aspekte, die tief in die Anwendungen hineinreichen. Die Felder dieser Anwendungen sind weit gespannt und reichen von funktionellen Lebensmitteln und Pharmazeutika (Functional Food, Drug Delivery) über Pflanzenschutzmittel bis zur Herstellung neuer Materialien und zur Verbesserung technologischer Prozesse wie der Herstellung von Sinterkörpern.

Komplexe Fluide stellen einen zentralen Bereich in der Erforschung der weichen kondensierten Materie dar: im Unterschied zu den üblichen molekularen Flüssigkeiten haben wir es hier mit Fluiden zu tun, die nicht nur aus einer kontinuierlichen flüssigen Phase - typischerweise einer molekularen Flüssigkeit wie Wasser, Öl, oder einer Mischung aus kleinen Molekülen bestehen, sondern darüber hinaus auch noch andere Stoffe enthalten, die in dieser kontinuierlichen Phase suspendiert sind. Dies können sowohl kleine Feststoffpartikel als auch kleine Tröpfchen sein, wobei letztere aus einer Mischung von Flüssigkeiten als auch aus einer flüssig-kristallinen Phase bestehen können. Diese Partikel - Kolloide genannt - treten miteinander in Abhängigkeit von ihrer Konzentration zunehmend in Wechselwirkung. Die Eigenschaften solcher komplexer Fluide hängen stark von diesen Wechselwirkungen ab und es ist daher wichtig diese Beziehungen zu verstehen um die Möglichkeit zu eröffnen, neue funktionelle Materialien aus ihnen zu entwickeln. Eine wichtige Gruppe von Techniken zum Studium der Struktur und Dynamik solcher komplexer Fluide sind die Streumethoden. Diese Untersuchungsmethoden sind zerstörungsfrei und liefern gute statistische Mittelwerte über die gemessenen Eigenschaften, da das bestrahlte Streuvolumen um Größenordnungen größer ist als die strukturellen Details der Proben. Diese Methoden haben jedoch einige Nachteile bzw. Schwierigkeiten. Die Interpretation der Streuresultate solcher dichter Systeme ist noch immer eine nichttriviale Aufgabe. Hier konnten wir neue Software Routinen entwickeln. Diese sind Teil eines Programmpakets, das in den letzten Jahren in unserer Gruppe in Graz entwickelt wurde und von mehr als hundert Forschungsgruppen weltweit verwendet wird. Mit dieser Software waren wir in der Lage wesentlich zur Entwicklung und zum Verständnis der Direct Coagulation Casting Methode beizutragen. Wegbereiter für diese neue Technik zur Keramik Produktion waren unsere Kooperationspartnern an der ETH Zürich. Unsere Methoden erlauben nun aber auch detaillierte Untersuchungen an flüssig-kristallinen Proben, wie sie z.B. in der modernen Lebensmitteltechnologie verwendet werden. Ein anderes Problem dichter, kolloidaler Systeme ist jedoch auch der Umstand, dass sie normalerweise milchig trüb und nicht optisch transparent sind. Dies macht die Untersuchung mit Lichtstreuung auf Grund der Mehrfachstreuung in solchen Medien sehr schwierig. Hier konnten wir erfolgreich ein neues Instrument entwickeln. Diese neue Laser-Lichtstreusystem vereinigt erstmals drei wichtige Komponenten: eine justierbare, extrem dünne Probenzelle, die dreidimensionale Kreuz-Korrelationstechnik und die Echomethode. Die Kombination der ersten beiden erlaubt die Ausschaltung der Mehrfachstreuung während die letztere das Studium des Überganges vom fluiden zum festen, gel- oder glasartigen Zustand mit eingefrorener Dynamik erlaubt. Solche Übergänge erfolgen täglich in der Käse- und Yoghurtproduktion, sind aber auch z.B. in der Herstellung moderner Keramik Materialien und anderer Werkstoffe von Bedeutung. Der Hauptvorteil der Streumethoden in solchen Studien ist, dass sie nicht invasiv sind - wir müssen nur mit einem schwachen Laser in die Probe leuchten. Ganz im Gegensatz zu Scherbelastungen - ein Yoghurt ist nicht mehr das Selbe nachdem man es einmal umgerührt hat!