Vorhersage der Phasenstabilität weicher Materie

Weiche Materie ist eine wichtige Materialklasse, die typischerweise aus kolloidalen Partikeln und/oder Polymeren in einem flüssigen Medium besteht. Bei bestimmten Zusammensetzungen neigen diese Arten von Systemen zur (Mikro-)Phasentrennung und Entmischung in koexistierende Phasen, die sich in Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften unterscheiden. Der Ph.D.-Forscher Joeri Opdam entwickelte theoretische Methoden zur genauen Vorhersage des Phasenverhaltens von Systemen aus weicher Materie, die aus kolloidalen Mischungen und Blockcopolymeren bestehen, was für ihre Anwendungen in Produkten wie Beschichtungen, Pharmazeutika und Lebensmitteln von entscheidender Bedeutung ist.

Kolloidale Partikel und Polymere sind wichtige Bausteine ​​für die Herstellung neuartiger Materialien. Darüber hinaus sind sie allgegenwärtig in sogenannter „weicher Materie“, also Industrieprodukten wie Farbe, Mayonnaise und Zahnpasta, aber auch natürlichen Systemen wie Ton, Blut und lebenden Zellen. Solche Systeme zeigen ein atom- und molekülähnliches Phasenverhalten, wobei je nach Konzentration kolloidaler und/oder polymerer Bestandteile unterschiedliche Phasen wie eine Flüssigkeit oder ein (Flüssig-)Kristall angenommen werden. In einer kolloidalen Dispersion, die Partikel mit unterschiedlichen Größen und/oder Formen enthält, oder in Lösungen von Blockcopolymeren können die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Komponenten eine Phasentrennung hervorrufen. Dann ist das System nicht mehr homogen, sondern entmischt sich in koexistierende Phasen unterschiedlicher Zusammensetzung. Für viele Anwendungen ist es erwünscht, eine Phasentrennung zu verhindern, aber in bestimmten Fällen kann es ein erwünschter Effekt sein, Komponenten unter Verwendung von Phasenübergängen zu trennen oder eine Schichtung herbeizuführen.

In seiner Promotion Forschung verbesserte Opdam theoretische Konzepte, die ursprünglich entwickelt wurden, um das Phasenverhalten von Kolloid/Polymer-Mischungen zu untersuchen, die nun aber auf kolloidale Mischungen angewendet werden können. Mit diesem theoretischen Modell kartierte er die Stabilitätsregionen verschiedener Arten von (koexistierenden) Phasen für kolloidale Mischungen für einen weiten Bereich von Größenverhältnissen, Formparametern und Konzentrationen. Die Modellvorhersagen stimmen eng mit Experimenten und Computersimulationen überein, die von Mitarbeitern durchgeführt wurden. Darüber hinaus enthüllte die Theorie eine Vielzahl interessanter Phänomene, wie die Möglichkeit der Trennung in fünf verschiedene koexistierende Phasen in einer einfachen Dispersion, die nur zwei Arten von harten Partikeln enthält.

Gittermodell

Blockcopolymere können sich spontan in makroskopische Phasen mit periodischen Domänen im Nanometerbereich ordnen. Unter Verwendung eines Gittermodells, das auf einer selbstkonsistenten Feldtheorie basiert, zeigte Opdam, wie Lösungsmittel verwendet werden können, um die Größe und Form dieser Domänen zu manipulieren, die zur Herstellung von Blockcopolymermaterialien mit spezifischen optischen oder elektronischen Eigenschaften verwendet werden können. Darüber hinaus zeigte er, wie die Oberflächenaffinität von Blockcopolymer-Oberflächenmodifikatoren in für die Automobilindustrie relevanten Lackformulierungen durch Trocknung beeinflusst wird. Die Ergebnisse unterstützten experimentelle Befunde, die zeigten, dass die Verteilung von Blockcopolymeren über die Masse und die Oberfläche zwischen der nassen Beschichtungsformulierung und der gehärteten Beschichtung erheblich abweichen kann.

Theoretische Modelle bieten eine schnelle Methode, um abzuschätzen, wie bestimmte Parameter Phasenübergänge beeinflussen, und können daher als Leitfaden für experimentelle und rechnerische Arbeiten verwendet werden. Diese Forschung ist daher ein wichtiger Schritt zum Verständnis und zur effizienten Nutzung von kolloidalen Mischungen und Blockcopolymeren, was beim Design von Soft-Materie-Systemen mit gewünschten Eigenschaften hilft.