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Komplexe Systeme der weichen
Materie
„Weiche Materie“, z. B. Polymere, Kolloide, Mikroemulsionen,
Gele oder Biopolymere und Membranen
zeichnet sich aus durch:
• eine große Zahl an weichen internen Freiheitsgraden,
dies führt zu einer großen Reaktion auf kleine externe
Einfl üsse;
• die Komplexität;
• die große Bedeutung entropischer Kräfte;
• Struktur auf mesoskopischer Längenskala
(Nanometer bis Mikrometer).
Die vielseitigen Eigenschaften dieser „weichen“ Materialien
führen zur Anwendung in den verschiedensten
Bereichen von Öladditiven, Kosmetika, Farben, Waschmitteln
bis hin zu Nahrungsmitteln.
Universalität
So unterschiedlich die Materialien und ihre Anwendungen
auch sind, bleibt doch die grundlegende Frage
die gleiche: wie bestimmen die mikroskopische Zusammensetzung
und die damit verbundenen Wechselwirkungen
die Struktur, die Dynamik und damit die
makroskopischen Eigenschaften des Materials Die
Beantwortung bedeutet nicht nur Fortschritt für die
Festkörperforschung im Sinne eines grundlegenden
Verständnisses, sondern öffnet den Weg zu einer gezielten
Beeinfl ussung der makroskopischen Eigenschaften
durch Veränderung mikroskopischer Parameter. Ein
wichtiges Ergebnis der bisherigen Forschung ist z. B.,
dass bei aller Komplexität interessanterweise viele
Phänomene der weichen Materie unabhängig von der
chemischen Struktur des betrachteten Materials sind,
d. h. sie sind universell. So ist die Konformation einer
sehr langen Polymerkette in der Schmelze knäuelartig.
Der Radius dieses Knäuels hängt von der Zahl der Monomere
ab, nicht aber von der chemischen Zusammensetzung
des Monomers.
Vielkomponentensysteme
Die Systeme, die heute in der industriellen Anwendung
eine Rolle spielen, werden immer komplexer, meist
sind es Vielkomponentensysteme, und diese müssen
für hochspezialisierte Anwendungen zugeschnitten
sein. Verwandt mit den Materialien aus der industriellen
Anwendung sind komplexe biologische Stoffe
wie Membranen und intrazellulare makromolekulare
Netzwerke. Dies sind selbstorganisierende Multikomponentensysteme,
deren Funktion durch die Wechselwirkung
verschiedener molekularer Komponenten
bestimmt wird, deren physikalische Eigenschaften sich
aber grundlegend von denen der einzelnen Komponenten
unterscheiden.
Kontrastvariation
Die Neutronenstreuung liefert den Zugang zu diesen
komplexen Systemen mit Hilfe gezielter Kontrastvariation.
Durch Austausch von Wasserstoff mit Deuterium
werden einzelne Moleküle oder Teile von ihnen sichtbar
gemacht. So werden komplexe Strukturen entschlüsselt
und die Dynamik einzelner Komponenten und deren
Korrelationen mit raum-zeitlicher Auflösung auf molekularen
Skalen zugänglich. Diese einzigartige Technik
und die mit Neutronen realisierbare Aufl ösung auf
molekularen Zeit- und Längenskalen, die optimal zur
Untersuchung der komplexen Systeme genutzt werden
kann, erklären die herausragende Rolle der Neutronenstreuung
im Bereich der weichen Materie.
Beispiele zu Struktur und Dynamik
Im Folgenden werden zwei typische Neutronenstreuexperimente
vorgestellt, eines zu strukturellen Eigenschaften
eines Mehrkomponentensystems und eines
zur Dynamik. Im ersten Beispiel wird der Einfluss von
Polymeren auf so genannte Mikroemulsionen im Zusammenhang
mit der Effi zienzsteigerung von Tensiden
untersucht.
Abb. 2.16. In den Behältern befindet sich jeweils die
gleiche Menge an Öl und Wasser. Die linke Säule zeigt 2
deutlich getrennte Phasen. Die zweite Säule enthält 5 %
Tensid. In der Mitte ist die Phase des Öl-Wasser-Gemisches
zu erkennen. In der dritten Säule wurde 0,3 %, in der
vierten 0,5 % des Polymers hinzugegeben. Die Menge der
homogenen Öl-Wasser-Mikroemulsion steigt signifikant.
Intensität [cm -1 ]
10 4
10 3
10 2
10 1
10 0
10
0,001 0,01 0,1
-1
Q [Å -1 ]
Öl
Tensid
Polymer
Effizientere Tenside
Mikroemulsionen sind homogene, thermodynamisch
stabile Mischungen von Öl und Wasser, wobei die
Mischbarkeit dieser ansonsten unmischbaren Bestandteile
durch Tenside realisiert wird. Auf mikroskopischer
Skala formen die Tensid-Moleküle eine Grenzschicht
zwischen Öl und Wasser in einer auf kleinstem Raum
eng verzahnten Struktur (bikontinuierliche Phase),
makroskopisch sind sie daher homogen. Die Zugabe
einer geringen Menge eines Diblock-Copolymers (die
Polymerkette besteht hier aus zwei unterschiedlichen
Polymeren) führt nun zu einer dramatischen Erhöhung
der Menge von Öl und Wasser, die mit einem bestimmten
Anteil von Tensid vermischt werden können (s.
Abb. 2.16).
Boosting Effekt
Wie können Neutronen zu einem Verständnis dieses
„Boosting Effekts“ führen Durch Kontrastvariation in
der Neutronenkleinwinkelstreuung können die einzelnen
Bestandteile dieses komplexen Systems einzeln
sichtbar gemacht werden (s. Abb. 2.17). Die Diblock-
Copolymere haben sich in der Grenzschicht zwischen
Öl und Wasser angelagert, da ein Teil des Polymers das
Wasser, der andere das Öl bevorzugt. Die Polymeranlagerungen
ändern die Biegesteifi gkeit der Membran.
Eine erhöhte Steifi gkeit der Membranschicht macht diese
glatter und damit die Membranfl äche effektiv größer,
d. h. es wird weniger Tensid gebraucht, um die gleiche
Menge Öl in Wasser zu lösen.
Abb. 2.17. Links: Durch Kontrastvariation kann die
Sichtbarkeit einzelner Komponenten ein- und ausgeschaltet
werden (orange = Öl, grün = Tensid, blau =
Wasser, schwarz = Polymer). Rechts: Kleinwinkeldaten
für drei partielle Streufunktionen für Öl (orange), Tensid
(grün) und Polymer (schwarz).
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