Binäre komplex kolloidale Kristalle: Die Rollen von Substitutions-Unordnung und Stapelungsfehlern

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Fuchs; Professor Dr. Martin Oettel
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401742484

Binäre kristalline Systeme zeigen – als Folge der breiten Variationsmöglichkeiten der Systemparameter – einen kaum zu überblickenden Reichtum an geordneten Strukturen, wobei jede für sich durch spezielle physikalischen Eigenschaften charakterisiert ist. Dies gilt insbesondere für kolloidale Kristalle, da die individuellen Eigenschaften jeder Spezies im Rahmen geeigneter Syntheseprozesse gezielt eingestellt und modifiziert werden können. Gerade wegen der großen Vielfalt an Möglichkeiten werden theoretische Verfahren dringend benötigt, mit deren Hilfe man die Eigenschaften der möglichen Kristalle vorhersagen kann; dies ist nicht nur interessant für die Grundlagenforschung, sondern auch im Bereich der angewandten, technologisch relevanten Forschung. Das vorliegende Projekt zielt auf die a priori-Berechnung elastischer/ thermodynamischer Eigenschaften sowie von Transport-Eigenschaften binärer kolloidaler Kristalle. Ähnlich wie im Einkomponentenfall werden diese Eigenschaften höchst sensitiv durch die unvermeidlichen kristallinen Defekte beeinflusst; allerdings zeigen binäre kristalline Systeme - im Vergleich zum Einkomponentenfall - eine deutlich größere Bandbreite an Defekten, wie etwa Antistrukturdefekte oder Konzentrationsunordnung an den Gitterplätzen. Ähnlich wie das Vorgängerprojekt (das ausschließlich Einkomponentenkristallen gewidmet war) zielt das vorliegende Projekt auf kolloidale kristalline Systeme, nun aber zweikomponentige: wiederum soll das Projekt auf einer fundierten und gut erprobten Zusammenarbeit unserer Gruppen basieren, die jeweils komplementäre Expertisen in das Forschungsprojekt einbringen: klassische Dichtefunktionaltheorie, Projektionsoperatorformalismus und Molekulardynamik-Simulationen. Dieser konzertierte Zugang wird es uns ermöglichen, die oben genannten Eigenschaften entlang einer “bottom-up” Strategie (also ausgehend von einer mikroskopischen Beschreibung) zu berechnen und zu interpretieren. In Hinblick auf die schier unüberblickbare Zahl zweikomponentiger Mischungen werden wir uns auf zwei archetypische Modellsysteme einschränken: einerseits Mischungen harter Kugeln (also ein typisches, defektarmes System) mit Fokus auf spezielle Größenverhältnisse der beiden Teilchensorten sowie ultraweiche Teilchen (die sogenannte “cluster”-Kristalle bilden) und ein typisches defekt-reiches System der weichen Materie darstellen. Wir sind überzeugt, dass unsere gemeinsame wissenschaftliche Anstrengung zu einem tieferen Verständnis beitragen wird, wie die verschiedenen Arten von Defekten mit ihren großen Auswirkungen auf die lokale Unordnung die elastischen, thermodynamischen und Transport-Eigenschaften in Modellsystemen binärer kolloidaler Kristalle beeinflussen. Unsere vorgeschlagenen Methoden und Konzepte bieten auch die Möglichkeit, diese im Bereich nanokristalliner Systeme anzuwenden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Rudolf Haußmann
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Gerhard Kahl