Selbstorganisation sphärischer kolloidaler Partikel in anisotrope Überstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Nicolas Vogel
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324078907

Sphärische Partikel bilden hexagonale Packungen. Diese intuitiven, dichtesten Kugelpackungen entstehen auf allen Skalen und werden von der Kristallstruktur vieler atomarer Kristalle bis hin zur makroskopischen Anordnung von kugelförmigen Objekten beobachtet. In ähnlicher Weise führt die Selbstanordnung von sphärischen Elementen in zwei Dimensionen, beispielsweise auf einer Wasseroberfläche, im Allgemeinen zu hexagonal dicht gepackten Strukturen. In der ersten Förderperiode konnten wir zeigen, dass sphärische kolloidale Partikel sich zu Überstrukturen mit unerwarteter Symmetrie selbst-organisieren können. So konnten beispielsweise anisotrope Ketten oder quadratische Symmetrien beobachtet werden. Wir zeigten, dass sich diese Strukturen an der Luft/Wasser-Grenzfläche in Gegenwart von amphiphilen Additiven unter bestimmten Bedingungen ausbilden können. Erstens müssen die Amphiphile irreversibel an der Grenzfläche adsorbieren, zweitens darf es nicht zur Phasenseparation von Partikeln und Additiven kommen, und drittens müssen die Amphiphile komprimierbar sein. Die wesentliche Erkenntnis der ersten Förderperiode ist, dass diese Kriterien an der Flüssigkeitsoberfläche zur Bildung einer zweidimensionalen, komprimierbaren Schale um die Partikel führen. Bei der Kompression auf einem Langmuir-Trog führt der Überlapp dieser Schalen zu einer induzierten Abstoßung der kolloidalen Partikel. Diese abstoßende Komponente wiederum führt zur Bildung der unkonventionellen Phasen als energetische Minima. Solche Phasen wurden von Jagla vor zwei Jahrzehnten theoretisch mit Hilfe von Teilchen vorhergesagt, die über ein weiches Abstoßungspotential, dem sogenannten Jagla Potential wechselwirken, und wurden in diesem Projekt erstmals experimentell realisiert. Je nach Form dieses Jagla Potenzials wurde theoretisch sehr interessante Phasen vorhergesagt, beispielsweise die Ausbildung verschiedener quasikristalliner Strukturen. Der in der ersten Förderperiode entwickelte Ansatz liefert eine allgemeine Strategie, um die dafür erforderlichen Wechselwirkungspotenziale zu erreichen. Die untersuchten Zweikomponenten Mischungen verhinderten jedoch die Möglichkeit, diese Wechselwirkungen genau einzustellen und zu messen. In der zweiten Förderperiode werden wir unser entwickeltes Verständnis nutzen, um ein Einkomponentensystem, bestehen aus Kern-Schale Partikeln zu entwerfen. Diese Partikel werden es ermöglichen, das Wechselwirkungspotential an der Grenzfläche genau einzustellen. Damit können die theoretisch vorhergesagten, komplexen Jagla Phasen experimentell realisiert werden. Das Projekt wird fundamental zum Verständnis von Grenzflächeneigenschaften und Phasenverhalten partikulärer Systeme beitragen, und über einen einfachen Prozess die Herstellung komplexer, selbstorganisierter Strukturen ermöglichen. Diese Strukturen können verwendet werden, um Oberflächen mit definierten, nanoskopischen Strukturen zu funktionalisieren, um Farbgebung oder Benetzungseigenschaften einzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen