Kolloidkristalle als Modellsysteme
für Festkörperphänomene


Sehen wir uns zuerst das Video hier an:



Auf den ersten Blick sieht das ganz ähnlich wie ein Metall im Transmissions-Elektronenmikroskop aus. Ganz charakteristisch ist das Kristallgitter - die regelmäßige Anordnung der einzelnen Atome. Zwischen den Einkristallen Korngrenzen (grain boundaries). Festkörperphysiker erkennen vielleicht ein paar Phänomene aus dem Lehrbuch: Eine Versetzungslinie (dislocation line), die hin und her wandert, Leerstellen (vacancies), die von Gitterplatz zu Gitterplatz springen, und vieles mehr. Doch dies ist keine Elektronenmikroskopie-Aufnahme. Dies ist noch nicht mal ein Metall. Was man hier sieht sind winzig kleine Glaskügelchen in einer fluoreszierenden Flüssigkeit, betrachtet mit dem Konfokalmikroskop.
Die einzelnen Kügelchen haben einen Durchmesser von 450 Nanometern und das komplette Video zeigt eine Stunde im Zeitraffer. Auch wenn sich diese Glaspartikel in keiner Weise anziehen oder abstossen, bilden sie aus rein entropischen Gründen einen dicht gepackten Kristall. Diese Kristalle verhalten sich bemerkenswert ähnlich wie Metalle auf atomaren Längenskalen. Der Vorteil ist jedoch, dass wir hier ganz einfach mit einem Lichtmikroskop zusehen können, was diese Partikel tun. Dabei kann man eine Menge über vergleichbare Prozesse in dem experimentell sehr viel schwieriger oder gar nicht zugänglichen Atomgitter lernen.
 
Meistens arbeiten wir nicht mit Polykristallen wie in dem Video, sondern mit Einkristallen. Diese lassen sich mit Hilfe einer Art Schablone
züchten, einem feines Lochmuster in einem Kunststoff-Film. [1] In diese Löcher rastet die erste Lage der Kügelchen ein und der Kristall wächst ohne Korngrenzen. Die Schablonen stellen wir selbst im Center for Nanoscale-Systems bei uns an der Harvard-Universität mit Hilfe lithographischer Methoden her:


Photo of Template

Beide Bilder zeigen das gleiche Glasplättchen mit dem strukturierten Kunststoff-Film, allerdings unter leicht unterschiedlichem Winkel. Abhängig von der Orientierung schillert das Lochmuster aufgrund von Interferenz-Effekten in einer anderen Farbe. Die kleine Abbildung zeigt, wie die erste Lage der Partikel in das Lochmuster einrastet. Abhängig von dem speziellen Muster können wir Kristalle in unterschiedlichen Orientierungen erzeugen:

Confocal Microscopy of a (100) FCC crystalConfocal Microscopy of a (110) FCC Crystal

Mit diesen Kristallen können wir nun eine Menge anstellen [2,3]. Es lohnt sich z.B., auch die Seiten meiner Kollegen
Peter Schall and Claudia Friedsam auf der Harvard-Homepage anzuschauen. Eins meiner Experimente ist in dem Video unten zu sehen: Der Zusammenbruch eines Stapelfehlers in einem kubisch flächenzentrierten Kolloidkristall. Das Video wurde natürlich computergeneriert, allerdings aufgrund echter im Experiment bestimmter Partikelpositionen. Alle weissen Kügelchen sind Teil von Stapelfehlern, alle gelben Partikel Teil einer nichtkristallinen, ungeordneten Region, und alle anderen Partikel sind unsichtbar.





Insgesamt sind mehr als 20.000 Partikel in dem betrachteten Volumen, soviel wie bei den modernsten Computersimulationen. Anders als bei Simulationen haben wir hier jedoch keine periodischen Randbedingungen, sondern sehen nur einen Teil eines sehr viel größeren Kristalls.


Literature

[1] A.van Blaaderen, R.Ruel and P.Wiltzius: Template directed colloidal crystallization. Nature 385 (1997) 321-324
[2] P.Schall, I.Cohen, D.Weitz and F.Spaepen: Visualization of Dislocation Dynamics in Colloidal Crystals. Science 305 (2004) 1944-1948
[3]
P.Schall, I.Cohen, D.Weitz and F.Spaepen: Visualizing dislocation nucleation by indenting colloidal crystals. Nature 440 (2006) 319-323

Dies ist mein gegenwärtiges Forschungsprojekt an der Harvard Universität in Zusammenarbeit mit Prof. Frans Spaepen und Prof. David Weitz.