Structure and Dynamics of Equilibrium and Non-Equilibrium Systems - Colloidal Suspensions in Confining Light Fields

Abstract

Physik im Allgemeinen versucht, die Zusammensetzung und Strukturänderungen von Materie zu verstehen. Seit den ersten Streuexperimenten von Rutherford wurde die atomare Struktur vieler Flüssigkeiten und Kristalle untersucht und verstanden. Mit dem technologischen Fortschritt stieg der Wunsch nach fundiertem Wissen über dynamische Prozesse in Materie und an deren Grenzflächen. Damit rückten Prozesse wie atomare Diffusion, Epitaxie, Phasenübergänge und chemische Reaktionen an Oberflächen mehr und mehr in den Mittelpunkt der Forschung. In dieser Arbeit setzen wir kolloidale Suspensionen als Modellsystem für die Untersuchung diffusiven oder getriebenen Transports entlang eindimensionaler Strukturen ein. Was auf den ersten Blick als exotisches Thema anmutet, erweist sich als wichtiger Prozess in vielen physikalischen und biologischen Systemen. Die folgenden Beispiele untermauern diese Aussage.Katalysatoren sind wichtige Stoffe, die den Ablauf einer chemischen Reaktion erleichtern bzw. erst ermöglichen, ohne selbst dabei verändert zu werden. Zeolithkristalle sind ein bekanntes Beispiel für im industriellen Maßstab eingesetzte Katalysatoren. Sie werden von nanometergroßen Kanälen durchzogen, was zu einer stark vergrößerte Oberfläche führt. Will man die quasi-eindimensionale Diffusion von Molekülen entlang dieser Kanäle untersuchen, muss man auf Messungen mit PFG-NMR-Spektroskopie zurückgreifen, die unterschiedliche Ergebnisse liefern. Diese Arbeit zeigt, dass kolloidale Suspensionen ein ideales Modell für die Diffusion in solch eingeschränkten Geometrien sind. Auch in der Biologie gibt es einige Beispiele für quasi-eindimensionalen Transport: Ionenkanäle, molekulare Motoren und die Translokation von Makromolekülen durch Zellmembranen. In diesen Systemen ist der Transport meist nicht rein diffusiv, sondern durch äußere Kräfte angetrieben. Kolloide können hier ebenfalls als Modellsysteme eingesetzt werden. Das letzte Kapitel dieser Arbeit, wird ein eindimensionales, getriebenes System beschreiben.Der wichtigste Vorteil kolloidaler gegenüber atomarer Systeme ist die Möglichkeit, die Bewegung einzelner Teilchen mit Hilfe der Videomikroskopie zu verfolgen. In dieser Arbeit benutzen wir sphärische Teilchen, dispergiert in deionisiertem Wasser oder Ethanol, um die Struktur und Dynamik eindimensionaler Systeme in und außerhalb des thermischen Gleichgewichts zu untersuchen. Wir erzeugen die quasi-eindimensionalen Kanäle -sowohl homogen, als auch strukturiert- durch eine ringförmige Intensitätsverteilung von Laserlicht. Induzierte Dipole und der elektromagnetische Feldgradient führen dazu, dass die dielektrischen Teilchen in die Punkte höchster Intensität gezogen werden. Die ringförmige Geometrie der Kanäle ergibt sich aus der Bewegung des Fokus eines Laserstrahls (Optische Pinzette) entlang einer Kreislinie. Abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit bewegen sich die sich gegenseitig abstoßenden Teilchen mit einer konstanten mittleren Geschwindigkeit entlang des Kreises. Mit einer räumlichen Modulation der Laserintensität können wir zusätzlich eine Struktur im Kanal erzeugen.Diese Arbeit gliedert sich in fünf Kapitel. Das erste Kapitel gibt eine kurze Einführung in die Theorie geladener Suspensionen. Kapitel zwei beschreibt die verwendeten experimentellen Anordnungen. In Kapitel drei und vier stellen wir unsere Ergebnisse zu der Struktur und der Dynamik eindimensionaler Systeme im thermischen Gleichgewicht vor -in Abhängigkeit von der Teilchendichte. Die mit einer konstanten Kraft angetriebenen Teilchen zeigen eine interessante Dynamik Kapitel fünf untersucht die getriebene Mehrteilchenbewegung entlang homogener und strukturierter Kanäle.