Die Assemblierung kolloidaler Kristalle mit Effet
Das EU-finanzierte Projekt COSAAC (Computational study of assisted assembly of colloids) wurde ins Leben gerufen, um die Möglichkeit zu erforschen, bei der Bildung solcher geordneten Strukturen behilflich zu sein. Wissenschaftler experimentierten mit der Verwendung externer elektrischer Felder und veränderten thermodynamischen Bedingungen, unter denen Nanopartikel assembliert werden. Zu den untersuchten Möglichkeiten zählte die Assemblierung kolloidaler Kristalle mithilfe der Kerne der Zielstruktur. Über die Unterstützung der Eisbildung mit Kernen konnten Wissenschaftler die Eisnukleationsrate bei Temperaturen zwischen -35 und -40 Grad Celsius messen. Das COSAAC-Team kombinierte experimentelle Daten mit Simulationsergebnissen zur Prognostizierung der Eisnukleationsrate in größeren Temperaturbereichen. Die Prognosen stellen einen wertvollen Input für Klimawandelmodelle dar, welche die Eisbildung in Troposphärewolken nachbilden. Wissenschaftler erforschten zudem die Verwendung optischer Zangen zur Beschränkung von Partikeln und zur Unterstützung der Bildung kristalliner Regionen. In Computersimulationen zum Kristallnukleationswachstum konnte die Kristall-Fluid-Grenzflächenenergie sowohl genau als auch effizient abgeschätzt werden. Über die Unterstützung der Bildung von Kristallen mit diesen Techniken enthüllte COSAAC die physikalischen Grundlagen, die hinter der verlangsamenden Wirkung von Druck auf die Eisnukleation stehen. Dieser Effekt ermöglicht die Kryokonservierung biologischer Proben, die mit der Anwendung von Druck und elektrischen Feldern verbessert werden kann. Schließlich wurde über eine Veränderung von thermodynamischen Bedingungen, welche die Assemblierung ungeordneter Strukturen ermöglichen, die Bildung dieser Strukturen untersucht. Die Experimente waren auf kolloidales Glas fokussiert, das aus kugelförmigen Partikeln besteht. Schon eine schnelle Druckänderung erwies sich als ausreichend, um die Resistenz von Glas gegenüber einer Kristallisierung zu modifizieren. Kristallisierung wird gemeinhin als Entglasung bezeichnet und ist zu vermeiden, um für Glas die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu gewährleisten. Zur Minimierung des Kristallgehalts definierten die Wissenschaftler spezifische Kompressionsprotokolle für die druckunterstützte Bildung. Ein Verständnis der Entglasung war der erste Schritt, um diese vermeiden zu können. Im Gegensatz zur Selbstassemblierung kristalliner Strukturen birgt die für die assistierte Assemblierung entwickelte Methodik das Potenzial für die vollständige Herstellung funktioneller Materialien mit breiten Anwendungsmöglichkeiten. Die zahlreichen wichtigen Ergebnisse von COSAAC sind in 15 Papern beschrieben, die in internationalen Peer-Review-Fachzeitschriften veröffentlicht wurden.
Schlüsselbegriffe
Kolloidaler Kristall, photonisches Glas, COSAAC, Selbstassemblierung, assistierte Assemblierung
