Ultraschallphononische kolloidale Kristalle auf der Basis von submikroskopischen Silika-, Polymer- und Hybridperlen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurden die spontanen Phononen, die in allen kondensierten Medien von der thermischen Energie angeregt werden, erstmals systematisch in heterogenen Medien aus submikroskopischen Kugelperlen analysiert. Die ganze Vielfalt der möglichen Präparate aus solchen Perlen wurde erforscht: • Perlen aus Silika (SiOx), Polymeren und Silika-Polymer-Hybriden mit Kernschalearchitekturen (CS) wurden charakterisiert. • Aus diesen wurden mit verschiedenen Verfahren Pulver, Suspensionen in Lösemitteln und kompakte Polymerfolien hergestellt. Die bisher kaum bekannte soft-material hypersonic Phononik erwies sich als sehr facettenreich. In Pulvern wurden die Phononen gänzlich in den Einzelperlen eingefangen, in denen sie ein Spektrum wohldefinierter vibrierender Eigenfunktionen aufbauten. Besonders intensiv bildeten sich die Phononen in den Polymerschalen von SiOx-Polymer-CS- Perien aus. Das Spektrum dieser lokalen Phononen (die "Musik" der Perlen) baute sich viel komplizierter, aber prinzipiell ähnlich auf wie das Spektrum der Elektronenorbitale von Atomen. In Suspensionen der Perlen in Lösemitteln gelang der detaillierte Nachweis der einzelnen Moden dieses Spektrums, nachdem die Suspensionen auf Isorefraktivität eingestellt wurde, so dass die Mehrfachstreuung entfiel, die bislang wellenvektorabhängige (q) Messungen verhindert hatte. Die Einzelmoden wurden q-abhängig erfasst, wobei auch eine gewisse Delokalisation der Perlen mit dem Lösemittel detektiert wurde. In kristallinen Folien aus den CS-Polymer-Hybridperlen, hergestellt in gescherten Schmelzen der Perlen, waren die Phononen dann völlig delokalisiert und sprachen auf die Gitterordnung an. Die Phonenreflektionen an den Gitterebenen ließen sich mit dem Bragg-Gesetz beschreiben. Insofern bestätigten sich Resultate der Photonik an den gleichen Opalfolien: Auch Licht wurde nach Bragg am Perlengitter der Folien gestreut. Dennoch blieb ein Problemkreis offen: Als die Opalfolien mechanisch gedehnt wurden, wobei auch das kristalline Gitter deformiert wurde, änderte sich die Photonenreflektion wiederum Bragg-konform. Die Phononenreflektion ändert sich dagegen Überraschenderweise nicht. Die aktuelle Forschung betrifft zur Zeit schwerpunktsmäßig die Klärung dieses Problems. Es ist nicht auszuschließen, dass die Phononenreflektion nicht völlig einer Bragg-Reflektion gleichgesetzt werden darf.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Colloidal Systems: a Promising Material Class for Tailoring Sound Propagation at High Frequencies. J Phys: Condens Mater 20 (2008) 404203
T Still, W Cheng, M Retsch, U Jonas, G Fytas
- Simultaneous occurrence of structure-directed and particle resonance-induced phononic gaps in colloidal films. Phys.Rev.Lett. 100 (2008) 194301
T Still, W Cheng, M Retsch, R Sainidou, J Wang, U Jonas, N Stefanou, G Fytas
- The "Music" of Core-Shell Spheres and Hollow Capsules: Influence on the Mechanical Properties at the Nanoscale. Nanoletters, 8 (2008) 3194, Nature Nanotechnology 3 (2008) 641
T Still, R Sainidou, M Retsch, U Jonas, P Spahn, GP Hellmann
- Eigenvibrations of Submicrometer Colloidal Spheres. J Phys Chem Lett 1 (2010) 2441
T Still, M Mattarelli, D Kiefer, G Fytas, M Montagna
- High Frequency Acoustics in Colloid-Based Meso- and Nanostructures by Spontaneous Brillouin Light Scattering. Dissertation, Johannes-Gutenberg-Universität, Mainz. Springer Verlag 2010, ISBN: 978-3-642-13482-1
T Still
- Tuning and switching hypersonic phononic properties of elastic impedance-contrast nanocomposites. ACS-Nano 4 (2010) 3471
A Sato, Y Pennec, N Shingne, T Thurn-Albrecht, W Knoll, M Steinhart, B Djafari-Rouhani, G Fytas
- Collective Hypersonic Excitations in Strongly Multiple Scattering Colloids. Phys Rev Lett 106 (2011) 175505
T Still, G Gantzounis, D Kiefer, G Hellmann, R Sainidou, G Fytas, N Stefanou
- One-dimensional Hypersonic Phononic Crystals. Nanoletters 10 (2011) 980
N Gomopoulos, D Maschke, CY Koh, E Thomas, W Tremel, HJ Butt, G Fytas
