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Konzentrationsfluktuationen und molekulare Dynamik in binären Glasbildnern

Schramm, Sebastian :
Konzentrationsfluktuationen und molekulare Dynamik in binären Glasbildnern.
TU Darmstadt, Institut für Festkörperphysik
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Konzentrationsfluktuationen und molekulare Dynamik in binären Glasbildnern
Language: German
Abstract:

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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this experimental study binary glass forming mixtures are investigated using complementary experimental methods measuring dynamical and structural properties. The objective is to analyse the blend dynamics and its characteristic length scales in supercooled liquids close to and below the glass transition temperature. Additionally, the results are compared to those from neat glass formers. To do this, methods are applied (e.g. light scattering, dielectric spectroscopy, neutron scattering), being able to selectively probe the individual structural dynamics of each molecular species, when the components are chosen appropriately. Contrary to neat glass forming substances, cooperative fluctuations of the local composition are of major importance in binary mixtures. Such concentration fluctuations lead to heterogeneous structural dynamics, since different local environments are present. On the other hand, the concentration fluctuations are affected by structural dynamics, when the latter slows down during the glass transition, causing the system to drop out of thermal equilibrium. In all cases studied here the single components of the mixtures have a large difference in glass transition temperatures. This pronounced, so-called dynamic asymmetry of up to 290K is obtained by mixing small, highly mobile organic molecules with rather inert polymers. The polymers employed in this study are polystyrene (PS) and polymethylmethacrylat (PMMA). Each of those is mixed either with methyl-tetrahydrofurane (MTHF) or picoline at different concentrations. It turnes out that some special physical features of such mixtures, e.g. the emergence of two separate structural alpha-relaxations, are in contrast with well-established ideas about dynamics in homogeneously miscible blends and can be ascribed to the dynamical asymmetry. Furthermore, dynamic correlation experiments with coherent X-rays give new insight into the properties of concentration fluctuations at the glass transition.English
Uncontrolled Keywords: Binäre Glasbildner, molekulare Dynamik, Konzentrationsfluktuationen
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
binary glass formers, molecular dynamics, concentration fluctuationsEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Condensed matter physics > Experimentelle Physik kondensierter Materie
Date Deposited: 19 May 2011 10:29
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-25852
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Stühn, Prof. Dr. Bernd and Vogel, Prof. Dr. Michael
Refereed: 27 April 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2585
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