Konzentrationsfluktuationen und molekulare Dynamik in binären Glasbildnern

In dieser experimentellen Arbeit werden binäre, glasbildende Mischungen mit verschiedenen, sich ergänzenden dynamischen und strukturellen Messmethoden untersucht. Dabei wird das Ziel verfolgt, die molekluare Mischungsdynamik und ihre charakteristischen Längenskalen in der unterkühlten Flüssigkeit nahe der Glasübergangstemperatur sowie innerhalb des Glases systematisch zu analysieren und auch mit den Eigenschaften reiner Glasbildner zu vergleichen. Dafür werden experimentelle Methoden (z.B. Lichtstreuung, dielektrische Spektroskopie, Neutronenstreuung) angewendet, die bei einer geeigneten Wahl der Komponenten der Mischung selektiv die individuelle strukturelle Dynamik von nur einer Molekülsorte messen können. Im Gegensatz zu reinen, einkomponentigen glasbildenen Substanzen spielen in binären Mischungen kooperative Fluktuationen der lokalen Zusammensetzung eine wesentliche Rolle. Solche Konzentrationsfluktuationen haben eine heterogene strukturelle Dynamik zur Folge, da diese verschiedene lokale Umgebungen erfährt; zum anderen ergeben sich aber auch Auswirkungen auf die Konzentrationsfluktuationen, wenn die strukturelle Dynamik im Laufe des Glasübergangs so langsam wird, dass sich das System außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts befindet. Eine wesentliche Eigenschaft, die alle untersuchten Mischsysteme auszeichnet, ist der große Unterschied in den Glasübergangstemperaturen der Einzelkomponenten. Diese ausgeprägte, sogenannte dynamische Asymmetrie beträgt bis zu 290K und wird erreicht, indem kleine, sehr mobile organische Moleküle mit eher "trägen" Polymeren gemischt werden. Als Polymere kommen Polystyrol (PS) und Polymethylmethacrylat (PMMA) in verschiedenen Molekulargewichten zum Einsatz, die jeweils mit Methyl-Tetrahydrofuran (MTHF) und in einigen Experimenten mit Picolin in unterschiedlichen Konzentrationen gemischt werden. Es zeigt sich, dass einige spezielle Eigenschaften der Mischungen, z.B. das Auftreten zweier separater struktureller alpha-Relaxationen, teils verbreiteten Ansichten über die Dynamik in homogen mischenden, binären Systemen widersprechen und auf die dynamische Asymmetrie zurückgeführt werden können. Des Weiteren geben dynamische Korrelationsexperimente mit kohärenten Röntgenstrahlen einen besonderen Einblick in die Eigenschaften der Konzentrationsfluktuationen beim Glasübergang