Kolloide

Kolloidsuspensionen bestehen aus festen Teilchen oder supramolekularen Aggregaten mit Größen von einigen Nanometern bis einigen Mikrometern, die sich in der Regel in einer niedermolekularen Flüssigkeit wie Wasser oder Öl befinden. Bei einer groben Einteilung der Vielzahl von möglichen Systemen unterscheidet man zunächst Dispersions- und Assoziationskolloide.

Zu den Dispersionskolloiden gehören feste, weitgehend formstabile Teilchen wie beispielsweise die bereits vor 150 Jahren von Faraday hergestellten Goldkolloide, sowie synthetisch produzierte feste polymere Teilchen. Aber auch biologische Makromoleküle wie Proteine und Viren gehören zu den Kolloiden. Assoziationskolloide bilden sich, wenn sich relativ kleine Einzelmoleküle (z. B. Tenside oder Lipide) etwa in wässriger Lösung spontan zusammenlagern, also assoziieren. Diese als amphiphil bezeichneten Moleküle bestehen aus einem polaren Kopf, der den Kontakt mit Wasser bevorzugt, und einem apolaren Schwanz aus Kohlenwasserstoffen, der den Kontakt zum polaren Lösungsmittel meidet und den Kontakt zu Öl bevorzugt. In wässrigen Lösungen assoziieren solche Moleküle zu Mizellen, deren einfachste Form kugelförmig ist, so dass die polaren Kopfgruppen eine geschlossene Fläche bilden, hinter der sich die Kohlenwasserstoffe vor dem Kontakt mit Wasser schützen. Aus dieser räumlichen Anordnung der amphiphilen Moleküle folgt auch sofort, dass Öl in Wasser "gelöst" werden kann (Öl-in-Wasser-Emulsion): Das Öl kann sich im Inneren der Mizellen aufhalten, so dass die Kohlenwasserstoffanteile der amphiphilen Moleküle mit dem Öl in Kontakt stehen und dadurch der direkte Kontakt von Wasser und Öl vermieden wird.

Küvette mit Kolloid-Suspension in wässriger Lösung.

Bildbeschreibung:
Küvette mit auskristallisierter Kolloid-Suspension in wässriger Lösung. Die Suspension besteht aus Polymerteilchen mit einem Durchmesser von 78nm, die etwa 300 Elementarladungen an ihrer Oberfläche tragen. Da die Teilchen eine größere Dichte als das Lösungsmittel haben, hat Sedimentation eingesetzt. Man erkennt die Grenze zwischen der festen Phase (unten) und der verdünnten, fluiden Phase (oben). Da bei der Sedimentation die Polymerkonzentration nach oben hin abnimmt, bilden sich unten im Sediment mehr Kristalle als oben. Die Kristalle wachsen so lange, bis sie an andere Kristalle stoßen. Da oben weniger Kristalle entstehen, können sie größer werden, so dass sie mit bloßem Auge sichtbar sind. (T. Palberg, Universität Mainz)

Kolloide als Modellsysteme

Die strukturell einfachsten Kolloidteilchen bestehen aus formstabilen festen Substanzen. Sie sind viel größer als Atome und Moleküle, aber immer noch klein genug, so dass die Brownsche Molekularbewegung das Absinken der Kolloidteilchen im Schwerefeld verhindert. Diese mesoskopischen Teilchen wechselwirken insbesondere bei kleinen Abständen zunächst über starke anziehende Kräfte miteinander (van der Waals-Wechselwirkung). Dies führt zur Ausflockung oder Koagulation der Kolloide (von griechisch kolla, Leim) in Form gelartiger und fraktaler Strukturen.

Die Assoziation der Teilchen kann durch sterische oder elektrostatische Stabilisation verhindert werden. Bei der sterischen Stabilisation lagern sich Polymere an den Teilchenoberflächen an, so dass jedes Teilchen von einer "Polymerbürste" eingeschlossen ist. Schon die Ägypter kannten diesen Effekt der Stabilisierung und nutzen ihn zur Herstellung von Tinte. Kleine Kohlenstoffpartikel wurden in Wasser verteilt und durch die Zugabe von Gummi arabicum stabilisiert. Gummi arabicum wird aus dem Saft von Bäumen gewonnen und enthält langkettige Zuckermoleküle.

Die elektrostatische Stabilisierung von Teilchen in polaren Lösungsmitteln wie Wasser beruht darauf, dass die Teilchen elektrisch aufgeladen werden und sich gegenseitig abstoßen. Dies kommt dadurch zustande, dass geladene Oberflächengruppen von den Teilchen dissoziieren oder dass sich an die Teilchen ionische Tenside oder Polyelektrolyte anlagern. Polyelektrolyte sind Polymere mit Gruppen, die im polaren Lösungsmittel dissoziieren, so dass beispielsweise das Polymermolekül negativ geladen ist und sich die entsprechenden positiv geladenen Gegenionen im umgebenden Lösungsmittel befinden. Das Resultat ist in allen Fällen, dass die Teilchen mehrere Hundert oder Tausend Elementarladungen eines Vorzeichens tragen und sich gleich viele entgegengesetzt geladene Gegenionen im Lösungsmittel befinden. Das führt zur Ausbildung starker elektrostatischer Abstoßung zwischen den Kolloidteilchen - mit sehr beeindruckendem Effekt: Es ist möglich, Dispersionskolloide so zu präparieren, dass bereits sehr verdünnte Suspensionen, in denen die Kolloidteilchen nur etwa 1 % des Gesamtvolumens oder weniger einnehmen, kristallisieren (s. Abb. 1). Diese Systeme sind also gleichzeitig verdünnt und stark korreliert. Kolloidkristalle sind extrem weich: Ihr elastischer Modul ist 10 Größenordnungen kleiner als der von typischen Festkörpern. Sie reagieren daher auch extrem empfindlich auf äußere Störungen. Schon ein leichtes Schütteln der Küvette bringt die Kristalle zum Schmelzen. Die Rekristallisation kann Minuten, Stunden oder Tage dauern.

Während sich die sterisch stabilisierten Teilchen nur über kurze Entfernungen abstoßen, hat die Abstoßung der ladungsstabilisierten Teilchen eine große Reichweite. Durch Zugabe von Salzionen kann man diese Reichweite stark verändern. Dies erklärt, weshalb man Kolloide als Modellsubstanzen für kondensierte Materie nutzt. Die Kolloidteilchen entsprechen dabei den Atomen oder Molekülen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern. Doch anders als bei Atomen und Molekülen kann man die Wechselwirkung der Kolloidteilchen in weiten Grenzen modifizieren, z. B. durch Zugabe von Salz oder von freien, nichtadsorbierenden Polymeren. Während das Salz die Abstoßung zwischen den Teilchen verringert, können die freien Polymere sogar eine effektive Anziehung bewirken. Damit ist es möglich, detailliert zu untersuchen, wie sich die physikalischen Eigenschaften kondensierter Materie verändern, wenn man die Stärke und Reichweite der Wechselwirkungen zwischen den materiellen Bausteinen variiert. Durch geeignete Wahl der beteiligten Komponenten kann man einerseits ein System aus winzigen harten Kugeln herstellen, das am besten verstandene Vielteilchensystem der statistischen Physik, und andererseits Systeme mit extrem weichen und weit reichenden Wechselwirkungen.

Zweidimensionales Kolloid an einer Wasser-Luft-Grenzfläche.

Bildbeschreibung:
Zweidimensionales Kolloid an einer Wasser-Luft-Grenzfläche. (a) Schnappschuss der Struktur, aufgenommen durch ein Mikroskop. Die Struktur wird mit Hilfe einer sogenannten Voronoi- Konstruktion analysiert, die jedem Teilchen eine Einflusszone zuordnet. In einem Kolloidkristall hat jedes Teilchen sechs nächste Nachbarn, doch in der Abbildung erkennt man auch solche mit fünf (grün) und sieben (blau) Nachbarn. (b) Durch viele aufeinander folgende Aufnahmen wurde die Bewegung der einzelnen Teilchen über 3000 Sekunden verfolgt. Frühe Teilchenorte sind schwarz, spätere grün markiert. Die Teilchen bewegen sich zwar nur sehr langsam, können aber im Laufe der Zeit neue Plätze einnehmen. Das dargestellte Kolloid verhält sich daher wie eine Flüssigkeit. (G. Maret, Universität Konstanz) 
 

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Kolloiden für solche grundlegenden Studien ergibt sich daraus, das die auftretenden Längen- und Zeitskalen viel leichter dem Experiment zugänglich sind als in atomaren oder molekularen Systemen. Die charakteristischen Längen reichen von der Größe der Kolloidteilchen bis zu den Abständen zwischen ihnen, also von Nanometern bis Mikrometern. Die charakteristischen Zeitskalen werden von der Brownschen Molekularbewegung und den Reibungsvorgängen im Lösungsmittel bestimmt und liegen im Bereich von millionstel Sekunden bis zu einigen Sekunden. Damit ist es relativ einfach zu beobachten, wie aus Kristallisationskeimen Kristalle oder fraktale Strukturen entstehen, oder über lange Zeit zu verfolgen, wie Dichteschwankungen abklingen, wenn sich statt eines Kristalls ein ungeordnetes Glas bildet. Ein anderes Beispiel ist die Untersuchung der Struktur kondensierter Materie in der Nähe von Grenzflächen, indem man die Bewegung der untereinander und mit den Grenzflächen wechselwirkenden Teilchen direkt mit Hilfe von Mikroskopen oder indirekt durch Lichtstreuung beobachtet (s. Abb. 2).

Ein Beispiel, das sowohl den Modellcharakter der Kolloide für allgemeinere Fragestellungen als auch die genannten Untersuchungsmethoden illustriert, sind Experimente an paramagnetischen Kolloidteilchen, die an einer ebenen Wasser-Luft-Grenzfläche in Form einer zweidimensionalen Schicht angeordnet sind. Legt man ein Magnetfeld senkrecht zur Schicht an, so werden in den Teilchen magnetische Dipole induziert. Die Teilchen stoßen einander auf Grund von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen ab, deren Stärke mit dem Magnetfeld zunimmt. Bei schwachen Feldern liegt eine zweidimensionale Flüssigkeit vor, bei starken Feldern ein Festkörper, und dazwischen ist eine sogenannte hexatische Phase beobachtbar. Damit lässt sich das Phasenverhalten zweidimensionaler Systeme, das theoretisch von J. M. Kosterlitz und D. J. Thouless vorhergesagt wurde, direkt untersuchen. Verwendet man ein System aus zwei Teilchensorten mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften, so kann man die Entstehung eines zweidimensionalen glasähnlichen Zustandes untersuchen.