Untersuchung kolloidaler homogener und heterogener Kristallnukleation mittels konfokaler Mikroskopie
Ziese, Florian - Universität Konstanz (2014)
In dieser Dissertation wurde homogene und heterogene Nukleation in einem System aus fluoreszent gefärbten PMMA-Kolloidteilchen mit 1,9 µm Durchmesser in einem Lösungsmittelgemisch aus Decalin und Cycloheptylbromid untersucht. Beobachtet wurde das System mit einem konfokalen Mikroskop. Aus den Teilchenpositionen wurden die Nuklei und deren zeitliche Entwicklung bestimmt und daraus die kritische Größe, die Oberflächenspannung, die Differenz der chemischen Potentiale und die Höhe der Nukleationsbarriere ermittelt.
Es wurde eine topologische Methode entwickelt, um die lokale Orientierung und die Orientierung der Nuklei relativ zu einer Oberfläche zu bestimmen. Darüber hinaus wurde eine Methode weiterentwickelt, die die lokale Kristallstruktur aus der topologischen Anordnung der Teilchen bestimmen kann. Der Schwerpunkt der Arbeit lag auf der Nukleation an gekrümmten Oberflächen, die durch Glaskugeln mit Krümmungsradien zwischen 2 und 70 µm realisiert wurden. Dabei zeigt sich, dass für Krümmungsradien kleiner als etwa 13 Teilchendurchmesser die Kristallbildung an der gekrümmten Oberfläche im Vergleich zur homogenen Nukleation reduziert ist, obwohl sich eine Orientierung der Teilchenanordnung zur Oberfläche zeigt. Für Krümmungsradien größer als 13 Teilchendurchmesser nimmt die Kristallbindung an der Oberfläche mit zunehmendem Krümmungsradius zu, ist aber auch bei 70 µm Krümmungsradius noch deutlich geringer als bei einer flachen Oberfläche mit unendlichem Krümmungsradius.
Die experimentellen Beobachtungen können mit der klassichen Nukleationstheorie nicht vollständig erklärt werden. Einerseits betrachtet die Theorie nur makroskopische Größen, durch die die kleinen Nuklei aus nur wenigen Teilchen nur genähert beschrieben werden können, anderseits berücksichtigt die Theorie nicht die elastischen Eigenschaften des Kristalls mit dem Energieunterschied, der zur Anpassung eines idealen Kristalls mit flachen Kristallebenen an eine gekrümmte Oberfläche nötig ist.