Glasübergänge von weicher Materie in porösen Materialien

Flüssigkeiten, die in porösen Medien eingeschlossen sind, verändern deutlich ihre physikalischen Eigenschaften: unter anderem werden neue Phasenübergänge oder drastische Veränderungen im Phasendiagramm beobachtet. Haben die Poren eine wohldefinierte Geometrie (wie etwa in Zeolithen), so kann man diese Effekte mittlerweile recht gut verstehen. Hat die Matrix allerdings eine ungeordnete Struktur (wie z.B. in Vycor oder Aerogelen), dann ist die Situation wesentlich komplizierter: in diesem Fall werden diese Veränderungen durch das komplexe Zusammenspiel aus der Größenverteilung der Poren, ihrer Vernetzung und ihrer Oberflächenbeschaffenheit bestimmt. Das besondere Verhalten, das Flüssigkeiten in porösen Medien aufweisen, ist von großer technologischer und geophysikalischer Bedeutung: poröse Materialien werden in der chemischen, erdölverarbeitenden und pharmazeutischen Industrie als Katalysatoren oder zur Trennung von Komponenten in Flüssigkeitsgemischen eingesetzt. Weil Gestein ebenfalls eine poröse Struktur aufweist, spielt dieses Material unter anderem bei der Ölgewinnung eine wichtige Rolle. Wie all diese komplexen technologischen Prozesse im Detail ablaufen, ist allerdings weitgehend unbekannt, daher ist ein tieferes Verständnis nicht nur von rein akademischem sondern auch von technologischem Interesse. Im Zuge dieses Projektes sollen die dynamischen Eigenschaften von Kolloiden in porösen Materialien untersucht werden, wobei besonderes Augenmerk auf den Glasübergang gelegt wird. Wir haben uns aus folgenden Gründen entschieden, mit Kolloiden zu arbeiten: (i) viele technologisch relevante Systeme sind Kolloide; (ii) da man die effektiven Wechselwirkungen zwischen Kolloidteilchen im Labor gezielt verändern kann, eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten zur Zusammenarbeit zwischen Experiment und Theorie; (iii) Forschungen der letzten Jahren haben ergeben, dass sich Kolloide in vielen ihrer Eigenschaften deutlich von atomaren Systemen unterscheiden. Untersuchungen an Materialien mit regelmäßigen Porenstrukturen haben bestätigt, daß die Matrix auch das dynamische Verhalten von Flüssigkeiten entscheidend verändert. Wie das allerdings bei ungeordneten Materialien aussieht, ist weitgehend unbekannt: es gibt zwar seit einigen Jahren experimentelle Untersuchungen, die ersten Computersimulationen wurden aber vor drei Jahren durchgeführt und ein geeignetes theoretisches Konzept konnte erst im letzten Jahr vorgestellt werden. Diese Theorie, bei der zwei sehr erfolgreiche Konzepte vereinigt werden, stellt die Basis für unsere Arbeiten dar. Sie kombiniert die Modenkopplungstheorie, eine effiziente Methode zur Beschreibung der dynamischen Eigenschaften und des Glasüberganges in homogenen Systemen mit dem replica Formalismus zur Untersuchung von Flüssigkeiten in ungeordneten porösen Materialien. Mit unserem Projekt wollen wir zu einem tieferen Verständnis beitragen, wie das dynamische Verhalten und insbesondere der Glasübergang von Kolloiden durch eine poröse Matrix und ihre spezielle Eigenschaften beeinflusst werden. Aufgrund der vielen neuen Eigenschaften, die man an Kolloiden entdeckt hat und wegen des starken Einflusses der Matrix auf die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit erwarten wir viele neue Erkenntnisse in diesem bislang weitgehend unerforschten Gebiet. Die enge Zusammenarbeit, die wir mit experimentellen Gruppen aus der Physik und der Physikalischen Chemie anstreben, unterstreicht den interdisziplinären Charakter des Projekts.

Flüssigkeiten, die mit ungeordneten, porösen Medien in Kontakt gebracht werden, zeigen im Vergleich zu `bulk`- Systemen deutlich veränderte physikalische Eigenschaften: so können, zum Beispiel, neue Phasenübergänge oder drastische Veränderungen im Phasendiagramm beobachtet werden. Für den Fall, dass die Poren eine wohldefinierte Geometrie aufweisen, kann man viele dieser Effekte mittlerweile recht gut verstehen. Ist die Matrix hingegen durch eine ungeordnete Struktur charakterisiert, dann ist die Situation wesentlich komplexer, da nunmehr die Veränderungen in den physikalischen Eigenschaften das Resultat eines komplexen Zusammenspiels der Größenverteilung der Poren, ihrer Vernetzung und ihrer zufälligen räumlichen Anordnung sind. Die oben beschriebenen Systeme, sind nicht nur von akademischem Interesse. Sie spielen in vielen praktischen Problemen eine wichtige Rolle: hier reicht das Spektrum von technologischen Fragestellungen bis hin zur Biophysik (zum Beispiel `crowding`-Effekte in biologischen Zellen). Daher ist ein tieferes Verständnis der mit diesen Problemstellungen verbundenen physikalischen Phänomene von großer Bedeutung. Ziel des Antrages war es, zu offenen Fragestellungen in diesem Themenkomplex beizutragen. In Rahmen dieses Projektes haben wir die dynamischen Eigenschaften kolloidaler Teilchen untersucht, die in Kontakt mit einer ungeordneten, porösen Matrix stehen; dabei standen mögliche Glasübergänge (und die damit verbundenen physikalischen Eigenschaften) im Mittelpunkt. In unseren Untersuchungen haben wir uns auf ein spezielles Modellsystem für kolloidale Teilchen beschränkt, das alle wesentlichen Eigenschaften derartiger Systeme beinhaltet. Mit Hilfe umfangreicher Computersimulationen konnten wir die dynamischen Eigenschaften des Systems auf Basis der dynamischen Korrelationsfunktionen untersuchen. Tatsächlich treten im resultierenden dynamischen Phasendiagramm unerwartete Glasübergangsszenarien auf, wie zum Beispiel stetige und unstetige oder auch Diffusions/Lokalisations-Übergägnge. Insbesondere konnten durch die Klassifizierung der Hohlräume innerhalb der Matrix neue Aufschlüsse über jene Mechanismen gewonnen werden, die für diese Übergänge verantwortlich sind. Die Implementierung einer neuen Simulationstechnik wird es uns in Zukunft ermöglichen, auch Nicht- Gleichgewichtseigenschaften von Flüssigkeiten zu untersuchen, die in Kontakt mit einer porösen Matrix stehen. Bei diesem Verfahren werden die hydrodynamischen Wechselwirkungen, die durch die mikroskopischen Lösungsmittelteilchen induziert werden, explizit berücksichtigt. Dadurch kann der Fluss von isolierten Teilchen durch eine poröse Matrix am Computer nachgestellt werden; derartige Szenarien sind z.B. bei der Erdölförderung von großer Bedeutung.