Struktur und Dynamik magnetischer Ellipsoid-Monolagen unter Scherung (STRUDEL)

• Antragsteller: Stefano Villa, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550416456

2D-Systeme interagierender Kolloide werden wegen ihrer industriellen Anwendungen, aber auch wegen ihrer Eignung zur Modellierung von Kristallen und Gelen eingehend untersucht. Die meisten der bisherigen Studien konzentrierten sich auf kugelförmige Mikropartikel im Gleichgewichtszustand. Jüngste Fortschritte bei der Herstellung von feldansprechenden Kolloiden ebnen den Weg für die Untersuchung von viel umfangreicheren Systemen außerhalb des Gleichgewichts. Während das Schmelzen von 2D-Kristallen aus Kugeln charakterisiert worden ist, bleibt die Wirkung der Partikelanisotropie schwer fassbar und wird nur angedeutet. Mikroellipsoide sind die einfachsten anisotropen Kolloide und stehen beispielhaft für eine Vielzahl von Systemen, die von polymeren Materialien bis zu aktiven Systemen wie Bakterien oder Aktinfilamenten reichen. Die Beziehung zwischen ihrer 2D-Strukturierungsdynamik und ihrer Entwicklung außerhalb des Gleichgewichts ist jedoch noch wenig erforscht. Mit diesem experimentellen Projekt wollen wir diese Lücke schließen, indem wir die Dynamik von magnetischen ME-Monolayern, die außerhalb des Gleichgewichts angetrieben werden, quantitativ charakterisieren. In einer ersten Phase wird der Einschluss an der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche die Bildung von zweidimensionalen Systemen magnetischer Mikroellipsoide sicherstellen. Ein Magnetfeld wird es ermöglichen, die abstoßenden Wechselwirkungen so einzustellen, dass i) Kristalle mit reproduzierbaren Anfangsstrukturen und kontrollierter Periodizität bei großen Magnetfeldern erzeugt werden können und ii) das Schmelzen bei einer Verringerung des Magnetfelds leicht untersucht werden kann. Dies ermöglicht die Untersuchung statischer (Positionsordnung) und dynamischer (Umlagerungen) Eigenschaften mittels Videomikroskopie und damit die Charakterisierung des Schmelzphasenübergangs für ein geschlossenes System passiver Ellipsoide. Zweitens wird auf dasselbe System eine externe Scherung in der Ebene angewandt und die entsprechende Grenzflächenrheologie für verschiedene Scherungsprotokolle mit optischen Pinzetten gemessen. Die roto-translationalen Umlagerungen und die nicht-affine Dynamik des ME werden ebenfalls quantifiziert, so dass das reichhaltige Zusammenspiel zwischen mikrometrischer Dynamik und mechanischen Eigenschaften des gesamten Systems untersucht werden kann. Unseres Wissens nach wird das Ergebnis dieses Projekts die erste experimentelle Charakterisierung der Schmelzdynamik von 2D-Kristallen anisotroper Kolloide sein, bei der die zeitaufgelöste Visualisierung der Probe eine direkte Untersuchung der Korrelation zwischen Dynamik und mechanischen Eigenschaften ermöglicht. Wir glauben, dass unsere Ergebnisse es ermöglichen werden, die Besonderheiten der Anisotropie von Teilchen auf dem Weg zum Schmelzen von 2D-Kristallen unter Bedingungen außerhalb des Gleichgewichts zu erforschen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Maurizio Nobili