Nanostrukturphysik II 3. 3. Weitere Kolloide und Überstrukturen SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 1 Kategorien disperser Systeme SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 2 Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche Rasterkraftmikroskopische Aufnahmen von nanodispersen Flüssigkeits-Gas-Systemen. (a) Wassertropfen auf einer Kupferoberfläche in Luft (b) Luftblasen an einer hydrophoben Glasoberfläche in Wasser SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 3 Nano-Aerosol Molekulardynamiksimulation der durch einen Wassernanotropfen induzierten Faltung einer Graphenlage. Der Tropfen umfasst 1300 H 2 O-Moleküle bei einem Durchmesser von 2,1 nm. Die Abmessungen des Graphenstreifens betragen 30 nm x 2 nm. SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 4 Dip-pen Nanolithographie SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 5 Dip-pen Nanolithographie (a) DPN-Deposition von Molekülen auf einer Substratoberfläche SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen (b) DPN-deponierte Goldstruktur auf Siliziumsubstrat Seite 6 Kategorien an Kolloiden (nach Staudinger) SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 7 Nanostrukturphysik II 3. 3. 1 Tenside SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 8 Tenside ● ● ● Grundbausteine der Assoziationskolloide stark grenzflächenaktiv (Erniedrigung der Grenzflächenenergie) → engl. surfactants meist amphiphil, d.h. sowohl polare (hydrophile bzw. lipophobe) als auch unpolare (hydrophobe bzw. lipophile) Gruppen Adsorption an Grenzflächen SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Aggregation in der Volumenphase Seite 9 Tenside Klassifizierung nach chem. Struktur der hydrophilen Kopfgruppe ● Anionische Tenside, z.B. Natriumdodecylsulfat SDS ● Kationische Tenside, z.B. Cetyltrimethylammoniumbromid ● Zwitterionische Tenside, z.B. Phosphatidylcholin (Phospholipid, Lecithin) ● SS 2015 Nichtionische Tenside (Niotenside), z.B. Alkyl-poly(ethylenglykol) [Poly(oxyethylen), Poly(ethylenoxid), PEO] 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 10 Anionische Tenside SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 11 Kationische Tenside Cetyltrimethylammoniumbromid SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 12 Zwitterionische Tenside Lecithin (Phosphatidylcholin) 3 N + 3 3 SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 13 Nichtionische Tenside SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 14 Tensidverbrauch SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 15 Schaumbildung durch Tenside SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 16 Langmuir-Blodgett-Waage http://www.ccb.tu-dortmund.de/fb03/de/Forschung/PC/Rehage/Apparaturen/A03/index.html SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 17 Langmuir-Blodgett-Waage http://www.ccb.tu-dortmund.de/fb03/de/Forschung/PC/Rehage/Apparaturen/A03/index.html SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 18 Langmuir-Blodgett und verwandte Verfahren http://www.biolinscientific.com/ksvnima/technologies/ SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 19 Tenside SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 20 Hydrophober Effekt Ursachen für Zusammenlagerung der Tensidmoleküle: ● Enthalpieabnahme: Zunahme der intermolekularen Wechselwirkung zwischen den Kohlenwasserstoffketten ● Entropiezunahme (Hauptbeitrag!): lokale Strukturierung des Wassers bedingt durch Wasserstoffbrückenbindungen: Realisierungsmöglichkeiten für Wasserstoffbrücken im Lösungsmittel steigt bei Zusammenlagerung mehrerer Moleküle Gittermodell SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 21 Überstrukturen SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 22 Lyotrope Flüssigkristalle SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 23 Packungsdichte von Tensiden Packungsparameter p von Tensidmolekülen (Mikroemulsionssysteme): ah V p= = f lf a h=V /l : Querschnittsfläche des Kohlenwasserstoffrestes f SS 2015 : Fläche der polaren Kopfgruppe 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 24 Erniedrigung der Oberflächen- und Grenzflächenspannung SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 25 Kategorien disperser Systeme SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 26 Emulsionen Makroemulsionen ● tröpfchenförmig ● nach einiger Zeit Phasentrennung ● Ostwald-Reifung: Zusammenschluß zweier kl. Tröpfchen zu einem größeren metastabile Makroemulsionen ● Vorübergehende Stabilisierung durch Zugabe eines ionischen Tensids ● Tröpfchengröße von ca. 0.5 - 10 μm; ● polydispers Mikroemulsionen: ● feinverteilte Tropfen durch die Tensidoberfläche thermodynamisch stabilisiert (meist mittels Cotensid). ● Tröpfchengröße: 5-100 nm ● transparent Emulgatoren stabilisieren ● Öltröpfchen in Wasser, z.B. ● Milch (Phospholipide und Casein) ● Mayonnaise (Lecithin aus Eigelb) ● Wassertröpfchen in Öl (z.B. Butter) SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 27 Elektronenmikroskopische Aufnahme einer typischen Struktur von Eiscreme (a) Eiskristalle, durchschnittliche Größe 50μm, (b) Luftbläschen, durchschnittliche Größe 100-200μm, (c) ungefrorenes Material. Quelle: W.S. Arbuckle, „Ice Cream“ Avi Publishing Company (1972) SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 28 Opaleszierende Mikroemulsion mit wässriger u. organischer Exzessphase SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 29 Ternäres Phasendiagramm eines Öl-Wasser-Systems SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 30 Nanostrukturphysik II 3. 3. 2 Gele SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 31 Sol-Gel-Prozess SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 32 Klassifizierung von Gel-Übergängen Gelierung chemisch (Hauptvalenzgel) physikalisch (Nebenvalenzgel) Monomere stark schwach Kondensation (krit. Perkolation) SS 2015 Polymere (Vulkanisierung) 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Addition (kinet. Wachstum) Endverknüpfung Seite zufällige Querverbindungen 33 Klasse der chemischen Gele ● ● ● SS 2015 Duroplasten (Untereinheiten = multifunktionale Monomere) Bsp.: gehärtetes Epoxidharz Sol-Gel-Gläser: organische SiO-Derivate + Metalloxid, löslich in organischem LM; in Wasser Verbindung durch Hydrolyse organischer Gruppen Vulkanisierung von Gummi Bsp.: natürl. Gummi (Polyisopren) + Schwefel 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 34 Klasse der physikalischen Gele ● ● SS 2015 Mikrokristalline Regionen Bsp.: Wackelpudding (Gelatine = denaturiertes Kollagen) Mikrophasenseparation von Blockcopolymeren →thermoplast. Elastomere 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 35 Kollagenstruktur SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 36 Elektronentomographische Aufnahme der Struktur eines Gels SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 37 Quellen von Gelen www.akinainc.com SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 38 Quellen von Gelen www.akinainc.com SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 39 Theorie des Sol-Gel-Übergangs Diskontinuierlicher PÜ bei bestimmtem Anteil realisierter Querverbindungen Beschreibbar durch ● Kritische Perkolationstheorie ● Carothers-Gleichung ● Flory-Stockmayer-Theorie (Mean-field Näherung) ● Wachstumsmodelle (Diffusionsbegrenztes Wachstum, Cluster-Cluster-Aggregation, kinetische Gelierung) SS 2015 3. Weiche kondensierte Materie 3.3. Weitere Kolloide und Überstrukturen Seite 40
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