Kolloidale Monolagen in periodischen Laser Feldern

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan U. Egelhaaf (†)
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459399860

Im Alltag benutzen wir zahlreiche Produkte, die der weichen Materie zugeordnet werden. Dazu zählen viele Reinigungs- und Kosmetikprodukte, Kleber, Windeln, Lebensmittel sowie natürliche und biologische Materialien. Das Hauptmerkmal weicher Materie ist ihre Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen wie mechanische, elektrische oder magnetische Kräfte. Deshalb ist weiche Materie, wie ihr Name andeutet, weich.Im Rahmen dieses Projekts untersuchen wir die Eigenschaften eines kolloidalen Systems, das einem äußeren Potential ausgesetzt ist. Kolloidale Systeme gehören zur weichen Materie und bestehen aus dispergierten Partikeln mit einer Größe zwischen einigen Nanometern und einigen Mikrometern. Wir verwenden kugelförmige Partikel, die in einer Schicht angeordnet sind, so dass ein quasi-zweidimensionales System vorliegt. Die Teilchen werden in ein sinusförmiges Lichtmuster und damit ein periodisches Potential gebracht, wobei die Wellenlänge des Potentials etwa der Partikelgröße entspricht. Obwohl einem sinusförmigen Potential ausgesetzte kolloidale Partikel eine sehr einfache Situation darstellen, wurde sie überraschenderweise kaum theoretisch untersucht. Selbst grundlegende Fragen, wie die Partikelanordnung und -dynamik in einem solchen Potential, wurden praktisch nicht bearbeitet. Um hier Fortschritte zu machen, kombinieren wir Experiment, Simulation und Theorie. Wir werden ein theoretisches Modell entwickeln und dessen Vorhersagen mit Simulationen und experimentellen Ergebnissen vergleichen. Die Experimente dienen außerdem dazu, die Entwicklung der Theorie zu begleiten und zu inspirieren.Die Partikeln werden mit optischer Mikroskopie verfolgt. Dies liefert systematische und quantitative Informationen bis hinunter zur Partikelebene und ermöglicht es daher, jeden theoretisch berechneten Parameter zu bestimmen. Es werden verschiedene theoretische Ansätze angewendet, darunter die Dichtefunktional-, Integralgleichungs- und Modenkopplungstheorie. Wir wollen die Anordnung und Dynamik von Partikeln bestimmen, die dem sinusförmigen Potential ausgesetzt sind. Die Anordnung wird durch Dichteprofile und Strukturfaktoren, die Dynamik durch mittlere quadratische Verschiebungen, Diffusionskoeffizienten und intermediäre Streufunktionen charakterisiert. Basierend darauf kann dann auch der Glasübergang im Zustandsdiagramm lokalisiert werden. Wir erwarten ein nicht-monotones Verhalten der Teilchenanordnung und -dynamik als Funktion der Periodizität und Amplitude des Potentials.Indem wir kolloidale Teilchen einem modulierten Potential aussetzen, bringen wir sie in einen ungewöhnlichen Zustand. Dies ermöglicht es einerseits Materialeigenschaften zu untersuchen und ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse zu gewinnen und andererseits Materialien mit neuen Eigenschaften herzustellen und zu charakterisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Thomas Franosch