Verfusselte Kolloide

News: Verfusselte Kolloide

Beim Stapeln von Orangen möchte man möglichst viele in eine Kiste bekommen, denn dies spart Platz und somit Energie. Auch Verbände kleiner Teilchen sollten sich aus diesem Grund eng aneinander schmiegen. Allerdings zeigen sie häufig eine ganz andere Struktur. Amerikanische Wissenschaftler konnten diese Anordnung nun simulieren.

Oliver Busse

Kolloide sind nicht aus einzelnen Atomen oder Molekülen aufgebaut, sondern aus bis zu 100 Nanometer großen Teilchen, die mit einem so genannten Dispersionsmittel durchmischt sind. Letzteres kann flüssig, fest oder gasförmig sein. Alltägliche Stoffe wie Milch, Butter, Seife, Schaum oder Rauch zählen deshalb zu den Kolloiden. Aufgrund der Größe der Teilchen hängt die Gitterstruktur der Kolloide in erster Linie von den mechanischen Eigenschaften der einzelnen Teilchen ab, und diese können Chemiker leicht beeinflussen. So stellen sie beispielsweise optische Schalter oder Molekularsiebe aus kristallartigen Kolloiden her.

Bislang haben sie die Kristalle jedoch eher durch Probieren gefertigt, da die Abhängigkeit der Gitterstruktur von der Beschaffenheit der Teilchen nicht eindeutig bekannt war. So sollten die kugelförmigen Teilchen aus energetischen Gründen eine so genannte kubisch flächenzentrierte Gitterstruktur annehmen, bei der auf einem Würfel die Ecken und die Flächenmittelpunkte jeweils mit einem Teilchen besetzt sind. Sehr viele Kolloide zeigen jedoch eine weitaus kompliziertere Struktur.

Primoz Ziherl und Randall Kamien von der University of Pennsylvania entwickelten deshalb ein neues Modell, bei dem die Teilchen zwar aus relativ dichten Kugeln bestehen, von denen jedoch hunderte von dünnen Ärmchen ausgehen. Diese "Fusseln" können sich verhaken und bestimmen durch Selbstorganisation die Gitterstruktur des Kolloids, wobei die Teilchen weiterhin den energetisch günstigsten Zustand einnehmen.

In Einklang mit den alten Vorstellungen bildete das Kolloid bei fehlenden Fusseln das erwartete kubisch flächenzentrierte Kristallgitter. Mit zunehmender Länge nahmen die Teilchen jedoch kompliziertere Strukturen an. Bei mittlerer Fussellänge stimmte der Aufbau mit dem in Experimenten ermittelten überein.

Das Modell kommt mit wenigen Faktoren aus, die Chemiker alle über die Größe der Teilchen und ihre gegenseitigen Wechselwirkungen leicht beeinflussen können. Deshalb könnten sie zukünftig beliebige Kristallstrukturen herstellen und gleichzeitig deren thermische und elektrische Eigenschaften bestimmen.