Kleine, harte Partikel verändern das Fließverhalten großer, weicher Polymere. Wie das genau funktioniert und sich steuern lässt, haben nun Forscher herausgefunden.
Weiche, kolloidale Partikel spielen in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, angefangen bei Lebensmitteln über chemische und pharmazeutische Produkte bis hin zu Kosmetika eine wichtige Rolle. Ein Team um Christos Likos, theoretischer Physiker an der Universität Wien, ist zusammen mit Chemikern in Ottawa, Experimentalphysikern in Heraklion und Montpellier sowie theoretischen Physikern in Bogota den Fließegenschaften dieser Partikel nun auf die Spur gekommen – anhand von Sternpolymeren, die sich aufgrund ihrer Justierbarkeit als ideales Modell weicher kolloidaler Systeme bewährt haben: Durch eine Erhöhung der Anzahl ihrer „Arme“ verändern sie ihre Eigenschaften von weichen Kolloiden hin zu harten Kolloiden.
Gläser aus weichen Kolloiden bei hohen Dichten waren in der Vergangenheit bereits Ziel der Forschung: Durch die hohe Ansammlung von Teilchen wird ein einzelnes Partikel durch seine nächsten Nachbarn wie in einem Käfig eingesperrt und gleichzeitig gequetscht. Die Merkmale dieses „Käfigeffekts“ steuern die Stabilität und die Effizienz kommerzieller Produkte wie Beschichtungen, Cremes und Gels. Daher ist es wichtig, sie zu verstehen, insbesondere mögliche, mit ihrer Verarbeitung und dem Endprodukt verbundene Fest-Flüssig-Übergänge.
Die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass die Zugabe von harten Partikeln zu einem weichen Glas zu einem neuartigen und vielfältigen Morphologiediagramm führt: Während anfangs das weiche Glas aufgrund einer „Verarmung“ schmilzt (weil die Käfige bei der Kollision mit den harten Kugeln aufbrechen), entwickelt das System schließlich eine Tendenz zur Phasentrennung.
Sobald kleine Teilchen zugegeben werden, steigt die Dichte und die Attraktivität der Sternpolymere, und beobachtet man einen Zustand der arretierten Entmischung. Daher führt das Hinzufügen von kleinen, harten Kugeln zu Gläsern aus großen, weichen Kugeln zu einem Phasenübergang von einem abstoßenden Glas hin zu einer Flüssigkeit und schließlich zu einem Zustand der arretierten Entmischung.
Diese Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten, um den Einfluss von Kopplungsteilchen-Wechselwirkungen auf die Eigenschaften kolloidaler Mischungen zu untersuchen. Auf Basis solcher Erkenntnisse könnten neue kolloidale Verbundstoffe mit gewünschten Eigenschaften entwickelt werden. Die Ergebnisse erscheinen in der aktuellen Ausgabe der „Physical Review Letters“.
Weitere Informationen: www.univie.ac.at
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