Quasikristalline Kolloidadsorbate
Final Report Abstract
Eigenschaften von Materialien maßzuschneidern ist das Ziel jeglicher Nanotechnologie. Filme aus Quasikristallen, einem Material dessen weitreichende Translationsordnung komplexerer Natur ist als die periodische Abfolge einer Einheitszelle in gewöhnlichen Kristallen, versprechen außerordentliche Eigenschaften. Daraus ergeben sich interessante Anwendungen als Katalysatoren oder Beschichtungsmaterial mit hoher Beständigkeit gegen Korrosion und Abrieb, sowie geringem Reibungswiderstand und nichthaftendem Verhalten. Im Projekt sollte untersucht werden, wie man quasikristalline Filme durch kontrolliertes Wachstum mit Hilfe eines quasikristallinen Substrats herstellen kann, ungeachtet chemischer Details. Dazu wurden kolloidale Dispersionen, also Teilchen von Mikrometer-Größe in wässriger Lösung, als Modellsysteme verwendet. Eine zweidimensional quasiperiodische Potentiallandschaft modelliert das Substrat, das im Experiment durch Interferenz von Lichtstrahlen realisierbar ist. Der große Vorteil liegt nun darin, dass die Wechselwirkung der Modellatome untereinander und mit dem Substrat im Vergleich zu atomaren Systemen leicht durchstimmbar ist. Damit konnte gezielt das Phasenverhalten und die Dynamik von Kolloiden auf quasikristallinen Substraten geklärt werden. Die Ergebnisse tragen dazu bei, die beobachteten atomaren Strukturen auf atomaren quasikristallinen Substraten zu verstehen. Konkret konnten wir das Phasenverhalten in eindimensional und zweidimensional quasiperiodischen Potentialen klären. Im ersten Fall gelang uns mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen und analytischer Theorie eine Behauptung zu widerlegen, nach der ein eindimensional quasiperiodisches Potential die Ausbildung von quasiperiodischen Strukturen in zwei Dimensionen induzieren sollte. Im zweidimensionalen Substratpotential mit dekagonaler Symmetrie tritt bei kleinen Potentialstärken die von den Kolloiden je nach Stärke der Zweiteilchen-Wechselwirkung bervorzugte flüssige oder Dreiecks-Phase auf, während in starken Potentialen eine durch das Substrat bestimmte dekagonale Phase beobachtet wird. Bei mittleren Stärken und kleinen Dichten konnten wir eine neuartige Phase mit 20-zähliger Symmetrie beobachten. Für hohe Dichten ist die Zwischenphase ungeordnet, jedoch tritt bei bestimmten Dichtewerten eine Phase ähnlich einer Archimedischen Parkettierung auf. Auch die Dynamik der Kolloide überrascht. So findet man im ein- und zweidimensionalen Substratpotential einen Übergang von der flüssigen zu einer frustrierten, glasartigen Phase. Die Brownsche Bewegung einzelner Kolloide verhält sich nach einem zeitlich ausgedehnten subdiffusiven Bereich letztendlich diffusiv, ähnlich wie in einer ungeordneten Umgebung. Die für Quasikristalle charakteristischen phasonischen Verschiebungen beeinflussen die Einteilchen-Diffusion, verursachen Umordnungen von Teilchen in den oben genannten Phasen und stabilisieren zusammen mit Phasonengradienten die Archimedischen Parkettierungen. Schließlich konnten wir zeigen, dass in der Natur nur Quasikristalle mit 5-, 8-, 10-, oder 12-zähliger Rotationssymmetrie auftreten, weil nur diese eine genügend hohe Anzahl von Nukleationszentren für quasikristalline Ordnung besitzen. Die erzielten Resultate tragen damit zu einem besseren Verständnis struktureller Eigenschaften von und dynamischer Vorgänge in atomaren Quasikristallen bei, insbesondere sind sie für Atomadsorbate auf quasikristallinen Substraten relevant.
Publications
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Freezing and Melting of a Colloidal Adsorbate on a 1D Quasicystalline Substrate, Phys. Rev. Lett. 97, 158304--1-4 (2006)
M. Schmiedeberg, J. Roth, and H. Stark
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Brownian particles in random and quasicrystalline potentials: How they approach the equilibrium, Eur. Phys. J. E 24, 367-377 (2007)
M. Schmiedeberg, J. Roth, and H. Stark
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Archimedean-like tiling on decagonal quasicrystalline surfaces, Nature 454, 501-504 (2008)
J. Mikhael, J. Roth, L. Helden, and C. Bechinger
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Colloidal ordering on a 2D quasicrystalline substrate, Phys. Rev. Lett. 101, 218302--1-4 (2008)
M. Schmiedeberg and H. Stark
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Colloidal particles on quasicrystalline substrates, Dissertation, Technische Universität Berlin (2008)
Michael Schmiedeberg
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Comment on “Two-Dimensional Quasicrystals of Decagonal Order in One-Component Monolayer Films”, Phys. Rev. Lett. 100, 019601--1 (2008).
M. Schmiedeberg and H. Stark
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Archimedean-like colloidal tilings on substrates with decagonal and tetradecagonal symmetry, Eur. Phys. J. E 32, 25-34 (2010)
M. Schmiedeberg, J. Mikhael, S. Rausch, J. Roth, L. Helden, C. Bechinger, and H. Stark
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Proliferation of anomalous symmetries in colloidal monolayers subjected to quasi-periodic light fields, PNAS 107, 7214-7218 (2010)
J. Mikhael, M. Schmiedeberg, S. Rausch, J. Roth, H. Stark, and C. Bechinger
