Untersuchungen zur Verfestigungskinetik in Suspensionen kolloidaler Partikel

Kolloidale Suspensionen, bei denen man die kolloidalen Teilchen als "Makroatome" in einem Kontinuum aus Lösungsmittelmolekülen auffaßt, stellen ein geeignetes Modellsystem zur Untersuchung von Verfestigungsvorgängen dar. Auf Grund der typischen beteiligten Längen- und Zeitskalen können Phasenübergänge bequem mit optischen Verfahren studiert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Kinetik der Kristallisation in drei kolloidalen Systemen unterschiedlicher Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung mit Lichtstreu- und mikroskopischen Methoden untersucht. Zur Untersuchung von Suspensionen aus sterisch stabilisierten PMMA-Teilchen, die in guter Näherung wie harte Kugeln wechselwirken, wurde ein neuartiges Laserlichtstreuexperiment aufgebaut, das die gleichzeitige Detektion von Bragg- und Kleinwinkelstreuung an einer Probe erlaubt. Damit konnte der zeitliche Verlauf der Kristallisation verfolgt sowie u.a. Nukleationsraten und erstmals auch Wachstumsgeschwindigkeiten bestimmt werden; diese wurden mit klassischer Nukleationstheorie sowie Wilson-Frenkel-Wachstum verglichen. In beiden Fällen konnte sehr gute Übereinstimmung mit der Theorie festgestellt werden. In Systemen geladener Partikel wurden mit Bragg-Mikroskopie die Wachstumsgeschwindigkeiten heterogener, an der Wand der Probenzelle aufwachsender Kristalle untersucht. Die Anpassung eines Wilson-Frenkel-Wachstumsgesetzes gelingt auch hier, wenn man die dazu eingeführte reskalierte Energiedichte auf den Schmelzpunkt bezieht. Geeignete Reskalierung der Daten erlaubt den Vergleich mit den Hartkugelsystemen. Zum ersten Mal wurde die Kristallisationskinetik in zwei verschiedenen kolloidalen binären Mischungen bestimmt und ausgewertet: In Beimischungen einer nichtkristallisierenden Teilchensorte zu einer kristallisierenden Suspension konnten die Daten mit einem modifizierten Wilson-Frenkel-Gesetz beschrieben werden, während in Mischungen aus zwei kristallisierenden Partikelsystemen eine unerwartet hohe Abnahme der Wachstumsgeschwindigkeiten beobachtet wurde. Kolloidale Suspensionen hartkugelähnlicher Mikrogel-Partikel konnten mit Hilfe des Lichtstreuaufbaues ebenfalls zum ersten Mal untersucht werden. Es wurde eine ähnliche Kristallisationskinetik wie in den PMMA-Systemen gefunden, jedoch auch einige wichtige Unterschiede, die insbesondere den Streumechanismus im Kleinwinkelbereich betrafen. Hier wurden verschiedene Interpretationsvorschläge diskutiert.Colloidal suspensions, in which the colloidal particles can be interpreted as "macro atoms" in a continuum of solvent molecules, represent a suitable model system for investigations of solidification processes. Because of the characteristic length- and time-scales, phase transitions can be studied comfortably with optical methods. In this thesis, the kinetics of crystallization in three colloidal systems with different particle-particle interactions was studied with light scattering and microscopical methods. For the investigation of suspensions of sterically stabilized PMMA particles, which interact in good approximation like hard spheres, a novel laser light scattering experiment was designed, which allows the simultaneous detection of Bragg- and small angle-scattering of one sample. With this setup it was possible to observe the time dependent process of crystallization as well as to determine, among other things, nucleation rates and for the first time growth velocities; this was compared with classical nucleation theory and Wilson-Frenkel growth. In both cases a very good agreement with theory was found. Growth velocities of crystals, heterogeneously nucleated on the wall of the sample cell, were measured with Bragg-microscopy in systems of charged particles. A fit of the data with a Wilson-Frenkel growth is successful as well, if an newly introduced rescaled energy density refers to the melting point. A suitable rescaling of the data allows for the comparison with the hard sphere system. The crystallization kinetics of two different colloidal binary mixtures was determined and evaluated for the first time: when adding a non-crystallizing particle species to a crystallizing suspension, the data could be described by a modified Wilson-Frenkel law, whereas in mixtures of two crystallizing particle systems an unexpectedly high decrease of the growth velocity was observed. Colloidal suspensions of hard sphere-like microgel particles could be investigated with the light scattering apparatus as well. A similar crystallization kinetics as for the PMMA system was found, but also some important differences, which applies in particular to the scattering mechanism in the small angle range. Different interpretation proposals are discussed