Kolloidale Laves-Phasen
Kolloidale Laves-Kristallphasen: Vorstufe für die Herstellung photonischer Kristalle für die optische Informationstechnologie
Dr. Nicole Schärtl aus dem Arbeitskreis „Kolloide“ von Prof. Dr. Eckhard Bartsch am Institut für Physikalische Chemie hat erstmals kolloidale Laves-Phasen hergestellt und charakterisiert, wie jetzt in der Fachzeitschrift „Soft Matter“ veröffentlicht. Dies eröffnet endlich die Möglichkeit, die schon seit einigen Jahren mit Hilfe von Computersimulationen vorhergesagt wird, über diese Vorstufe photonische Kristalle herzustellen.
Photonische Kristalle sind nanostrukturierte Materialien mit sehr hohen Brechungsindexkontrasten und können die Fortbewegung von Lichtwellen in molekularen Größenordnungen in festgelegten Richtungen steuern, bestimmte Wellenlängen filtern oder auch reflektieren. Sie haben daher für den Transport von Photonen dieselbe Funktion wie elektrische Halbleiter für den Stromtransport1. „Aufgrund der außergewöhnlich hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht sollte es in naher Zukunft möglich werden, durch die Nutzung photonischer Kristalle leistungsfähigere Computer, effizientere Laser oder Hochleistungs-Lichtleiter herzustellen“, sagt Bartsch. Die Photonik gilt als die Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts.
Die Herstellung von photonischen Kristallen ist komplex. Eine interessante Möglichkeit bieten kolloidale Laves-Phasen, maximal dicht gepackte kristalline Strukturen aus zwei Sorten unterschiedlich großer Partikel. Diese Kolloidpartikel verhalten sich dabei wie Harte Kugeln mit Durchmessern in der Größenordnung von wenigen hundert Nanometern. Sie sind also kleiner als die kleinsten Bakterien und damit nicht für das menschliche Auge sichtbar. Laves-Phasen bilden sich unter geeigneten Bedingungen spontan. Für die optimale Packung ist ein bestimmtes Größenverhältnis der Partikel notwendig: der Durchmessers der einen Partikelsorte muss etwa um ein Fünftel kleiner sein als der der anderen. Verwendet man Partikel aus unterschiedlichen Materialien, z.B. aus Polystyrol und TiO2, und entfernt nach Bildung der kolloidalen Laves-Kristallphase eine der beiden Partikel-Sorten, z.B. Polystyrolpartikel durch Calcinieren, erhält man einen photonischen Kristall.
Obwohl die spontane Bildung solcher Lavesphasen in Mischungen aus Partikeln mit Harte Kugel-Wechselwirkungen schon seit längerem in Computersimulationen vorhergesagt war2, stand der experimentelle Nachweis der Bildung in realen Mischungen aus Kolloidpartikeln noch aus. Schärtl verwendete für die Herstellung der kolloidalen Laves-Phasen Polystyrol-Mikrogel-Partikel im organischen Lösungsmittel 2-Ethyl-Naphthalin, die in guter Näherung als Harte Kugeln aufgefasst werden können. Für die Bildung von Kristallen hoher Qualität hatten die größeren Partikel einen Durchmesser von 332 nm, die kleineren 258 nm. Nach wenigen Wochen kristallisierten die Laves-Phasen spontan aus. Sie bildeten bevorzugt eine Laves-Phase mit MgZn2-Struktur, die unter bestimmten Bedingungen in die MgCu2-Struktur überging. Die Abbildung2 zeigt diese Struktur: die größeren Partikel bilden eine Diamant-Struktur und die kleineren eine Pyrochlor-Struktur. Beide Strukturen haben für sich die Eigenschaft eines photonischen Kristalls.
1 E. Yablonovitch, Photonic Crystals: semiconductors of light, Scientific American 285 (2001) 46-55
2 A.-P. Hynninen, J.H. J. Thijssen, E. C. M. Vermolen, M. Dijkstra and A. van Blaaderen, Self-assembly route for photonic crystals with a bandgap in the visible region, Nature Materials 6 (2007) 202–205
Originalpublikation:
N. Schaertl, D. Botin, T. Palberg and E. Bartsch
Formation of Laves phases in buoyancy matched hard sphere suspensions
Soft Matter 14 (2018) 5130-5139
DOI: 10.1039/C7SM02348K
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/SM/C7SM02348K#!divAbstract
Kontakt:
Prof. Dr. Eckhard Bartsch
Kolloide
Institut für Physikalische Chemie / Institut für Makromolekulare Chemie
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
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