Auswirkungen eines Kristallisationkeims auf Phasenübergänge fern des thermodynamischen Gleichgewichts

• Antragsteller: Dr. Peter Keim
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237282255

Die Untersuchung von Phasenübergängen und den dabei auftretenden Symmetriebrüchen ist seit je her ein äußerst spannendes Gebiet der Physik. Abhängig von der Dimensionalität des Systems und der jeweiligen Ordnungsparameter war es ein grosser Erfolg der statistischen Physik sehr unterschiedliche Systeme in verschiedenen Universalitätsklassen zusammenfassen zu können, die sich bezüglich ihres kritischen Verhaltens analog beschreiben lassen. So zeigt sich, dass die Schmelzszenarien in 3D und in 2D sehr unterschiedlich sind. Grundvoraussetzung für die erfolgreiche statistische Beschreibung war jedoch, daß sich die Systeme im thermodynamischen Gleichgewicht befinden. Ein Beispiel für Systeme, die aus dem Gleichgewicht fallen, sind einerseits Glasübergänge, andererseits lassen sich aber auch kristallisierende Systeme mit enormen Abkühlraten fern des Gleichgewichts untersuchen. Speziell für zweidimensionale Systeme konnten wir zeigen, dass die Mechanismen der Erstarrung im Gleichgewicht und fern des Gleichgewichts sehr unterschiedlich funktionieren. Hier wollen wir ansetzen und den Nichtgleichgewichtkristallisationsprozess unter Anwesenheit eines Nukleationskeims auf mikroskopischer Ebene quantifizieren.Das System besteht aus superparamagnetischen Kolloiden die an eine absolut flach aufgespannte Flüssigkeitsgrenzfläche sedimentiert sind. Da die Dynamik des Systems im Vergleich zu atomaren Systemen langsam genug ist, um auf allen relevanten Zeitskalen per digitaler Bildanalyse bestimmt zu werden, kann die gesamte Phasenrauminformation analysiert und mit theoretischen Modellen verglichen werden. Über äußere Magnetfelder kann die repulsive Wechselwirkung zwischen den Kolloiden relativ zur thermischen Energie und damit die Systemtemperatur zeitabhängig kontrolliert werden. Derart kann das System auf Zeitskalen 10-4-mal kürzer verglichen mit intrinsischen Zeitskalen abgekühlt werden - ein einzigartiger Vorteil dieses Experimentes.Nachdem der Nichtgleichgewichtsphasenübergang, wie unsere bisherigen Arbeiten zeigen, nicht mit klassischer Nukleationstheorie beschrieben werden kann, soll in diesem Projekt der Einfluss der Fluktuationen der lokalen Ordnung untersucht werden. Dazu wollen wir einen Kristallisationskeim mittels optischer Pinzetten während des Temperatursprunges anbieten, wobei wir absichtlich nicht von heterogener Nukleation sprechen wollen. Es soll untersucht werden, wie Form und Größe der Kristallisationskeime die Fluktuationen der lokalen Ordnung unterdrücken und die Erstarrung als Funktion der Kühlrate beeinflussen. Die Ergebnisse sollen mit konkurrierenden Vorhersagen von Simulationen und auf längeren Skalen mit dynamischer Dichtefunktionaltheorie bzw. Phasenfeldtheorie verglichen werden um tiefere Einsichten in diesen Selbstorganisationsprozess fern des thermodynamischen Gleichgewichts zu erlangen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Georg Maret