Inhaltszusammenfassung

Wenn der Durchmesser flüssigkeitsgefüllter Poren molekulare Größenordnungen erreicht, ändert sich die Struktur der darin befindlichen Flüssigkeit und kann stark von der Gleichgewichtsstruktur innerhalb der Flüssigkeit abweichen. Die Strukturänderung kann die Moleküldynamik beeinflussen und somit die Eigenschaften der Flüssigkeit ändern. Die experimentelle Untersuchung der Flüssigkeitsstruktur in engen Spalten ist jedoch nicht so einfach möglich. Methoden wie Surface Force Appara...Wenn der Durchmesser flüssigkeitsgefüllter Poren molekulare Größenordnungen erreicht, ändert sich die Struktur der darin befindlichen Flüssigkeit und kann stark von der Gleichgewichtsstruktur innerhalb der Flüssigkeit abweichen. Die Strukturänderung kann die Moleküldynamik beeinflussen und somit die Eigenschaften der Flüssigkeit ändern. Die experimentelle Untersuchung der Flüssigkeitsstruktur in engen Spalten ist jedoch nicht so einfach möglich. Methoden wie Surface Force Apparatus, Colloidal Probe oder Atomic Force Microscopy messen Kräfte und schließen daraus auf die molekulare Anordnung. Eine direkte Untersuchung der Molekülstruktur findet nicht statt. Die Untersuchung eingeschlossener Flüssigkeit in einer Porenstruktur ist ebenfalls nicht zielführend, da die Krümmung der Porenwände die Eigenschaften der Flüssigkeit beeinflusst. Ein idealer Versuchsaufbau würde die Untersuchung der Flüssigkeit in einer Schlitzporengeometrie ermöglichen und signalgebende Methoden, welche direkt die Molekülstruktur untersuchen, verwenden. Eine solcher Versuchsaufbau wurde mit dem in dieser Arbeit konstruierten Gerät realisiert. Das als X-ray Surface Force Apparatus bezeichnete Gerät verbindet die Methoden der Surface Force Apparatur mit Methoden der Röntgenstreuung. Die somit zugänglichen Informationen über die Struktur der Flüssigkeit ergänzen sich komplementär und ermöglichen neue wissenschaftliche Einblicke. Der Abstand zweier Oberflächen lässt sich mit diesem Gerät bis zu molekularen Größenordnungen kontrollieren. Die Flüssigkeitsstruktur lässt sich durch dynamische Auslenkung einer der beiden Spaltoberflächen in horizontaler und vertikaler Ausrichtung mikrorheologisch untersuchen. Anwendbare Röntgenmethoden umfassen Röntgenstreuung zur Untersuchung der horizontalen Flüssigkeitsstruktur, aber auch Röntgenreflektivitätsmessungen zur Untersuchung der Struktur vertikal zu den Spaltoberflächen. In dieser Arbeit wurden zwei unterschiedliche Probensysteme anhand des X-ray Surface Force Apparats untersucht. Der smektische Flüssigkristall 4’-Octyl-4-Cyano-biphenyl wurde bei Spaltbreiten von 120 und 1700 nm untersucht. Streuexperimente ermittelten eine Ausrichtung der Moleküle senkrecht zu den Spaltoberflächen. Diese geschichtete Struktur wurde durch Kompressions/Dekompressions-Zyklen mechanisch belastet. Es zeigte sich, dass Kompression die Anisotropie der smektischen Schichten erhöht, während Dekompression zu einer Verringerung der Anisotropie der Flüssgkeitsmoleküle führt. Die Moleküle reagieren viskoelastisch auf Störung und zeigen eine Reorientierung zurück in den Ausgangszustand auf einer Zeitskala von 20 Sekunden. Ein Anisotropieniveau wie unter Kompression wird jedoch nicht wieder erreicht. Bei einer Spaltbreite von 120 nm wurde ein Absinken der Spaltbreite aufgrund der mechanischen Belastungszyklen gemessen. Vor dem Hintergrund einer konstanten Röntgenreflektivität wird dies durch die Induzierung von Fehlstellen im Flüssigkristall erklärt. Einzelne Fehlstellenmoleküle liegen desorientiert in den smektischen Lagen und ergeben sogenannte ”Parking-lot-states”. Das zweite untersuchte Probensystem war die ionische Flüssigkeit 1-Decyl-3-Methyl-imidazolium Chlorid. Ionische Flüssigkeiten werden als erfolgversprechende Elektrolyte in Batterien und Kondensatoren gehandelt, in denen sie meist in einer Poren-struktur vorliegen. Da sich in der praktischen Anwendung der Kontakt mit Luftfeuchtigkeit kaum ausschließen lässt, wurde der Einfluss von Wasser auf die Struktur der ionischen Flüssigkeit untersucht. Dazu wurden Röntgenmessungen und rheologische Experimente durchgeführt, aber auch Untersuchungen in engen Spalten durch Einsatz des X-ray Surface Foce Apparates. Dies ermöglicht einen Vergleich des Verhaltens in Poren im Gegensatz zur unbeeinträchtigten Flüssigkeit. Die Absorption von Wasser im Bereich von 10 ≤ wi ≤ 60 Gewichtsprozent induziert in 1-Decyl-3-Methylimidazolium Chlorid eine hoch geordnete flüssigkristalline Phase. Die mechanischen Eigenschaften ändern sich stark, die Viskosität steigt um fünf Größenordnungen. Eine Domänenstruktur aus hexagonal dichtgepackten Stäbchen bildet sich aus. Der Stäbchendurchmesser entspricht der Anordnung von zwei Decyl-Seitenketten und einer Imidazolium-Kopfgruppe. Diese Struktur wurde nun im X-ray Surface Force Apparat bei Spaltbreiten von 180 nm und 80 nm durch Scherversuche untersucht. Bei schrittweiser Auslenkung der Oberfläche zeigte sich eine viskoelastische Kraftrelaxation durch Kriechen. Da gleichzeitig eine konstante Röntgenreflektivität auf eine gleichbleibende Struktur hindeutet, wurde dies als ein Fließen der Stäbchenstruktur interpretiert. Oszillatorische Scherbelastung ergab, dass die Flüssigkristallstruktur durch Scherung ausgelenkt, aber nicht zerstört wird. Oberhalb einer Scherrate von γ̇ ≤ 0.401 s−1 wird die Struktur beeinträchtigt. Die beobachtete mesoskopische Struktur in der Flüssigkeit, kann durch die Mobilität der Mesogene in der flüssigkristallinen Phase erklärt werden.» weiterlesen» einklappen

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DDC Sachgruppe:
Chemie