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Ordnung aus dem Chaos

Winzige Partikel – sogenannte „Patchy Colloids“ – können sich ganz von selbst zu komplizierten Strukturen zusammenfügen. Durch neue Rechenmethoden, entwickelt an der TU Wien und in Madrid, werden diese Strukturen nun vorhersagbar.

Aus einem ungeordneten Teilchengewimmel kann spontan Ordnung entstehen.

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Aus einem ungeordneten Teilchengewimmel kann spontan Ordnung entstehen.

Aus einem ungeordneten Teilchengewimmel kann spontan Ordnung entstehen.

Aus einem ungeordneten Teilchengewimmel kann spontan Ordnung entstehen.

Oben: Günther Doppelbauer, Eva Noya. Unten: Emanuela Bianchi, Gerhard Kahl.

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Oben: Günther Doppelbauer, Eva Noya. Unten: Emanuela Bianchi, Gerhard Kahl.

Oben: Günther Doppelbauer, Eva Noya. Unten: Emanuela Bianchi, Gerhard Kahl.

Oben: Günther Doppelbauer, Eva Noya. Unten: Emanuela Bianchi, Gerhard Kahl.

Die "Patchy Colloids" ...

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Die "Patchy Colloids" ...

Die "Patchy Colloids" ...

Die "Patchy Colloids" ...

... ordnen sich in ganz unterschiedlichen Strukturen an, ...

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... ordnen sich in ganz unterschiedlichen Strukturen an, ...

... ordnen sich in ganz unterschiedlichen Strukturen an, ...

... ordnen sich in ganz unterschiedlichen Strukturen an, ...

abhängig von äußeren Bedingungen.

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abhängig von äußeren Bedingungen.

abhängig von äußeren Bedingungen.

abhängig von äußeren Bedingungen.

Stellen Sie sich vor, Sie leeren eine Kiste Bausteine aus, und die fügen sich dann ganz von selbst zu einer komplizierten, regelmäßigen Struktur zusammen. Solche Selbstorganisations-Vorgänge lassen sich bei speziellen Arten mikroskopisch kleiner Partikel beobachten, den sogenannten Kolloiden. Man hofft, auf diese Weise neue Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften herstellen zu können. Ein Forschungsteam der TU Wien mit Beteiligung des CSIC in Madrid entwickelte nun eine Methode, die selbstständige Strukturbildung der Kolloide vorherzusagen.

Kleiner als Feinstaub, größer als Atome
Kolloide sind kleine Teilchen, die in einem anderen Medium – einem Gas oder einer Flüssigkeit – fein verteilt sind. Sie sind meist viel größer als einzelne Atome oder Moleküle, wie etwa die kleinen Fetttröpfchen in der Milch, sind aber viel zu klein um mit freiem Auge sichtbar zu sein.

Die Oberfläche dieser Kolloide ist nicht immer einheitlich: Im Labor kann man heute sogenannte „Patchy Colloids“ herstellen: Sie haben an bestimmten Stellen Flecken, die ganz andere Eigenschaften aufweisen als der Rest der Oberfläche. Diese besonderen Stellen an der Oberfläche können dazu führen, dass die Kolloide aneinander andocken und haften bleiben. Stimmen die äußeren Bedingungen wie Druck und Temperatur, dann können sich viele Kolloide ganz von selbst zu großen, komplizierten Strukturen aneinanderfügen, ähnlich wie ein Kristall.

Aus dem Chaos kommt die Ordnung – aber welche?
In der Arbeitsgruppe von Prof. Gerhard Kahl am Institut für Theoretische Physik untersuchten Günther Doppelbauer und Emanuela Bianchi nun gemeinsam mit Eva Noya, einer Kollegin aus Madrid, wie solche großen periodischen Strukturen entstehen können.

Tatsächlich wurde die Forschungsgruppe in ihren Berechnungen fündig: „Wir konnten Strukturen aus bestimmten patchy Colloids identifizieren, die auch bei erstaunlich hohem Druck noch stabil bleiben“, berichtet Günther Doppelbauer. Die Berechnungen zeigen also mögliche Wege für künftige Experimente auf.

Wie bei Bausteinen, die man zu ganz verschiedenen Formen zusammenbauen kann, sind auch bei den Kolloiden ganz unterschiedliche Strukturen geometrisch möglich. Welche davon in der Natur tatsächlich vorkommen können, lässt sich nur recht schwer berechnen. Viele verschiedene Konfigurationen mussten durchgetestet werden, um zu sehen, welche von ihnen am stabilsten sind. Bisher war das kaum möglich – der Rechenaufwand ist enorm.

Mit dem Computer durch Berg und Tal
Die Suche nach diesen Gleichgewichtsstrukturen der  Kolloide ist vergleichbar mit der Suche nach dem Aufenthaltsort einer Kugel in einer Hügellandschaft: Grundsätzlich kann sich die Kugel überall befinden, doch wenn man weiß, dass sie immer nach unten rollt, sucht man am besten unten in den Tälern nach ihr – dort, wo sie am wenigsten potenzielle Energie hat. Um stabile Kolloid-Strukturen zu finden, berechnet man die sogenannte Gibbs-Energie: Neben der Bindungsenergie zwischen den einzelnen Teilchen gehen auch Druck und Temperatur in diese Gibbs-Energie mit ein.

„Wenn man am Computer die Konfigurationen mit der geringsten Gibbs-Energie sucht, dann findet man den besten Kompromiss zwischen möglichst guter Bindung zwischen den Teilchen und möglichst dichter Packung“, erklärt Günther Doppelbauer.

Gute Lösungen vermehren sich, schlechte sterben aus
Um das Kunststück zu vollbringen, mit Hilfe dieser Gibbs-Energie die Ordnungsstruktur der Teilchen vorherzusagen, verwendete das Forschungsteam genetische Algorithmen: In der Biologie pflanzen sich Organismen von Generation zu Generation fort, ihre Eigenschaften können sich dabei zufällig ändern, langfristig passt sich die Spezies so optimal an die Umwelt an.
 
Eine ganz analoge Strategie kann man auch mit Computerprogrammen verfolgen: Man geht von Näherungslösungen aus, die man leicht modifiziert und so eine neue Lösungs-Generation herstellt. Die besten Ergebnisse werden weiterverwendet – und am Ende findet man im Idealfall die optimale Lösung. Auf diese Weise konnte an der TU Wien nun vorhergesagt werden, bei welchen geometrischen Parametern, Drücken und Temperaturen sich die Kolloide in welchen Strukturen anordnen werden.

Zunächst wurde in den Berechnungen eine Temperatur am absoluten Nullpunkt angenommen, mit einem weiteren Rechentrick wurden die Ergebnisse dann auf größere Temperaturen erweitert.

Spontan wachsende Kristalle
In das Forschungsgebiet der „Patchy Colloids“ werden große Hoffnungen gesetzt: „Wenn es gelingt, aus Kolloiden diamantartige Strukturen zu erzeugen, dann könnte man sogenannte photonische Kristalle erzeugen“, sagt Emanuela Bianchi. Mit solchen photonischen Kristallen könnte man Licht auf maßgeschneiderte Weise manipulieren.

Mit Patchy Colloids wird heute eifrig experimentiert. An Technologien zur passgenauen Herstellung der Partikel wird gearbeitet. Es ist bereits möglich, die winzigen Kolloide an genau gewählten Stellen mit „Patches“ zu versehen, über die sie aneinander andocken können. Die neuen Rechenmethoden lassen nun eine wissenschaftlich solide Vorhersage zu, welche Arten von Kolloiden man synthetisieren muss, um auf Erfolg hoffen zu dürfen. Man kann das Verhalten der Kolloide nun also vorhersagen, anstatt sich in aufwändigen Experimenten auf Versuch und Irrtum verlassen zu müssen.

Die Arbeit wurde vom Wissenschaftsfonds FWF unterstützt.

Nähere Information:
Dipl.-Ing. Günther Doppelbauer
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10
T: +43-1-58801-15841