Binäre kolloidale Kristalle: Unordnung und Stapelfehler

Binäre Kristalle weisen aufgrund der Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten der Systemparameter eine beinahe unüberschauebare Vielfalt geordneter Strukturen auf, die sich jeweils durch unterschiedliche physikalische Eigenschaften auszeichnen. Dies gilt insbesondere für Kristalle, die durch Teilchen der Weichen Materie (wie etwa Kolloide) gebildet werden, da die Eigenschaften der beiden Spezies durch geeignete Syntheseprozesse nahezu unbegrenzt ausgewählt werden können. Daher benötigt man sowohl aus akademischer als auch aus technologischer Sicht dringend theoretische Werkzeuge, die vorhersagend die Erforschung der Eigenschaften der entstehenden Kristalle ermöglichen. Der Schwerpunkt dieses Projekts liegt auf der Bewertung der elastischen, thermodynamischen und Transporteigenschaften solcher (kolloidalen) Kristalle, deren Eigenschaften, ähnlich - wie bei verwandten Einkomponentensystemen - deutlich von den stets vorhandenen kristallinen Defekten beeinflusst werden; im Gegensatz zu Einkomponentensystemen weisen binäre Systeme ein deutlich größeres Spektruman kristallinenDefektenauf, wie Antisite-Defekteoder Konzentrationsschwankungen. Ähnlich wie im Vorgängerprojekt (das sich ausschließlich Einkomponentensystemen widmete) planen wir, die Forschungsarbeiten auf kolloidale Kristalle aus binären Mischungen zu fokusieren. Das vorliegende Projekt basiert auf der Zusammenarbeit von drei einander ergänzenden Ansätzen: klassischeDichtefunktionaltheorie,Projektionsoperatorformalismus und Molekulardynamiksimulation. Diese ermöglichen es uns, die genannten Eigenschaften ausgehend von der mikroskopischen Ebene in einem bottom-up Prozess vorherzusagen. Um die große Vielfalt der binären Systeme zu bewältigen, konzentrieren wir unsere Untersuchungen auf zwei archetypische Modellsysteme: binäre Mischungen harter Kugeln (die von Natur aus defektarm sind), mit besonderem Fokus auf bestimmte Größenverhältnisse und binäre Mischungen ultraweicher Partikel (die fähig sind, s.g. Clusterkristalle zu bilden), die defektreich sind. Wir sind überzeugt, dass die gemeinsamen Anstrengungen ein tieferes mikroskopisches Verständnis des Einflusses von Defekten auf die elastischen, thermodynamischen und Transporteigenschaften binärer Kristalle in einem weiten Bereich der lokalen Unordnungsstärke ermöglichen werden. Unsere gemeinsamen Bemühungen, die oben genannten Phänomene von Grund auf zu untersuchen, stellen einen neuen Ansatzdar. Darüber hinaus bilden unsere methodisch komplementären Ansätze eine solide Grundlage für die eingehende Untersuchung der oben genannten Eigenschaften der Kristalle. So können wir einen umfassenden Einblick in die Mechanismen geben, die für diese Materialeigenschaften verantwortlich sind. Das Projekt wird im Rahmen des weave-Förderprogramms (gemeinsame Förderung durch DFG und FWF) durchgeführt und verbindet die Forschergruppen von Matthias Fuchs (Universität Konstanz), Martin Oettel (Universität Tübingen) und Gerhard Kahl (TU Wien).