Computer-Simulationen struktureller und elastischer ... - KOPS

KAPITEL 1
Einleitung
Das Gebiet der weichen Materie (soft matter) umfaßt die Beschreibung einer Vielzahl,
auf den ersten Blick sehr unterschiedlicher Systeme. Da diese sich aufgrund ihrer strukturellen
und elastischen Eigenschaften nicht eindeutig dem Bereich der gewöhnlichen
Festkörper bzw. Flüssigkeiten zuordnen lassen, werden sie zum Teil auch als komplexe
Flüssigkeiten bezeichnet. Gewöhnliche Festkörper und Flüssigkeiten stellen sich bereits
auf Längenskalen von 1 nm als homogene, strukturlose Kontinua dar. Im Gegensatz dazu
weisen Systeme der weichen Materie oft noch auf Skalen von bis zu 1000 nm eine
Strukturierung auf. An die Stelle der in Festkörpern kovalent gebundenen Atome treten
in der weichen Materie supramolekulare Aggregate, wie z.B. Polymere oder Kolloide.
Diese bilden die elementaren Bausteine der Systeme und bestimmen sowohl die Strukturbildung
auf mesoskopischen Skalen als auch deren elastische Eigenschaften. Der große
Unterschied im elastischen Verhalten der weichen Materie im Vergleich zu gewöhnlichen
Festkörpern wird durch die extremen Unterschiede in den relevanten Längenskalen hervorgerufen.
Eine Abschätzung des Schermoduls durch das Verhältnis von Bindungsenergie
zum Volumen der Einheitszelle der geordneten Struktur, für z.B. einen Ionenkristall
wie Kochsalz, liefert Werte im Bereich von 1eV/(1Å)3 = 10 30 eV/m 3 . Im Vergleich dazu
ist der Schermodul in geordneten Strukturen der weichen Materie, wie z.B. kolloidalen
Kristallen, um ca. 12 Größenordnungen kleiner! In solchen kolloidalen Kristallen liegt
die Bindungsenergie im Bereich der thermischen Energie k B T = (1/40)eV und die Gitterkonstante
kann durch die Grösse der Kolloide auf ca. 1µm abgeschätzt werden [1].
Der Schermodul liegt somit bei ca. 10 18 eV/m 3 und macht deutlich, daß diese Systeme
schon durch eine vergleichsweise leichte äußere Störung stark deformiert werden können.
Sie sind weich.
In der Vielzahl der Systeme der weichen Materie, wie z.B. Polymere, Flüssigkristalle,
verschiedene biologische Systeme usw. nehmen die Kolloide eine besondere Stellung ein.
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