DESY-Röntgenquelle PETRA III filmt Fließverhalten von Flüssigkristallen

Einzigartige Messstation liefert Einblick in innere Struktur
(PresseBox) (Jülich/Hamburg, ) Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich, der Universität Utrecht und von DESY haben mit einem weltweit einzigartigen Experimentaufbau an DESYs Röntgenquelle PETRA III das Fließverhalten von Flüssigkristallen gefilmt. Die neue Methode zeigt unter anderem, wie sich der innere Aufbau einer Flüssigkristall-Probe ändert. Das deutsch-niederländische Team präsentiert seine Beobachtungen im Fachjournal "Physical Review Letters".

Die Information über das Fließverhalten ist wichtig für eine Vielzahl von Systemen - sei es in Blutgefäßen oder auch in Zementmixern. Die Viskosität und Elastizität von Flüssigkeiten wird beispielsweise in der Nahrungsmittel-, Kosmetik- und Ölindustrie regelmäßig untersucht. Allerdings werden dabei in der Regel lediglich die Fließeigenschaften selbst gemessen ohne detaillierten Einblick in die innere Struktur der Probe.

Das deutsch-niederländische Forscherteam hat daher eine neue Methode zur Untersuchung des Fließverhaltens entwickelt. Die Wissenschaftler setzten ein Flüssigkristall-Präparat durch Hin- und Herdrehen unter mechanische Spannung. Mit dem hellen Röntgenstrahl von DESYs Forschungslichtquelle PETRA III "filmten" sie währenddessen mit zehn Aufnahmen pro Sekunde das Strukturverhalten der Probe. Die Untersuchung zeigt, warum das Material fließt oder elastisch wird.

Die untersuchte Mischung aus in Glycerin gelösten Gibbsit-Partikeln besitzt besondere mechanische Eigenschaften: Mal verhält sie sich wie ein elastischer Festkörper, mal wie eine viskose Flüssigkeit. Im Ruhezustand sind die rund 250 Nanometer großen Gibbsit-Plättchen mit ihren flachen Oberflächen parallel zu den Wänden ihres Behälters angeordnet. Wird die Probe äußerlich nur leicht verformt, richten sich die Plättchen lediglich mit einem gewissen Neigungswinkel auf, behalten aber eine Art Kristallstruktur bei. Ab einer bestimmten, kritischen Deformation, fangen die Plättchen an, diese Grundordnung zu verlassen, umzuklappen und anschließend übereinandergleiten, sodass sich das Material kurzzeitig plastisch verformt und danach zu fließen beginnt.

Originalveröffentlichung:
M.P. Lettinga, P. Holmqvist, P. Ballesta, S. Rogers, D. Kleshchanok, and B. Struth The non-linear behavior of nematic platelet dispersions in shear flow Physical Review Letters (DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.246001).
Abstract: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i24/e246001

Video der wechselnden Röntgen-Streumuster der Flüssigkristallprobe während der oszillierenden Scherspannung. Jedesmal, wenn die Gibbsit-Plättchen umklappen, beobachten die Forscher einen starken Ausschlag im Streumuster. Bei großen Amplituden geschieht dies genau zweimal pro Schwingungszyklus - jeweils wenn die Scherspannung die Richtung wechselt.
Video: http://prl.aps.org/epaps/PRL/v109/i24/e246001/fp04Str12p8.avi

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