Untersuchungen zur Ausbildung hochgeordneter Strukturen in lamellaren Tensidphasen

Titelangaben

Wolf, Christian:
Untersuchungen zur Ausbildung hochgeordneter Strukturen in lamellaren Tensidphasen.
Bayreuth , 2007
( Dissertation, 2007 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Komplex aufgebaute äquidistante Lamellenflächen bilden in Systemen mit parabolischen Fokalkegeln hochsymmetrische Muster. Am Beispiel des Systems Natriumdodecylsulfat / Wasser / Hexanol / Dekan wurde dieses Verhalten im Bereich von L3- und lamellarer Phase gefunden und untersucht. In der vorliegenden Arbeit sollten die Ursachen und Wege bei der Ausbildung solcher Strukturen genau aufgeklärt und qualitativ untersucht werden. Es ist bekannt, dass geordnete lamellare oder smektische Phasen bei erzwungener Dilatation parabolische Fokalkegel bilden können, die zu regelmäßiger Musterbildung neigen. Bei den hier untersuchten Tensidsystemen waren die Probengefäße jedoch starr und keinem mechanischen Stress unterworfen. Trotzdem wurden hier besonders gut ausgeprägte Muster von parabolischen Fokalkegeln nachgewiesen. Es stellte sich deshalb die Aufgabe, alle auftretenden dynamischen Prozesse von der Probenpräparation an bis zur Ausbildung des Musters und dessen Zerstörung zu dokumentieren und zu beschreiben. Im lamellaren Einphasengebiet wurde in keinem Fall die Ausbildung von geordneten Lamellen beobachtet. Alle Proben blieben ungeordnet und zeigten starke Doppelbrechung. Bei Entnahme der lamellaren Phase aus dem koexistierenden lamellar / L3-Gebiet entstand dagegen in allen Fällen in kurzer Zeit Pseudoisotropie. Von den verschlossenen Rändern des Microslides aus begann in den pseudoisotropen Proben eine nebelartige Fahne in das Kapillarinnere hinein zu wachsen. Bei starker Vergrößerung des Nebels konnte nachgewiesen werden, wie zunächst aus diffusen Strukturen Muster entwickelt wurden. Mustergröße, Kontrast und Ordnung nahmen dabei stark zu, bis schließlich große Bereiche mit nahezu perfekten Quadraten entstanden. Es ist mit der gewählten Methode reproduzierbar gelungen, solche hochgeordneten Bereiche in perfekter quadratischer Orientierung über das gesamte Gesichtsfeld des Mikroskops zu erzeugen. SDS-Konzentration, Hexanol- und Dekangehalt, Kotensid und Temperatur wurden variiert, um bestmögliche Bedingungen für solche optimalen Ordnungen zu finden. Die hohe Gleichmäßigkeit der Gitter ermöglichte die quantitative Untersuchung der Mustergeometrie. Es konnte gezeigt werden, dass die Muster immer exakt in der Mitte zwischen unterer und oberer Fläche des Probengefäßes positioniert waren. In der mittleren Fokalebene ist die Symmetrie außerordentlich hoch, weil die sowohl nach oben und nach unten verlaufenden Parabeln identisch abgebildet werden. Bei Verschiebung des Fokus fand man eine obere und untere ganz scharf abgebildete Fokalebene, in der nur jeweils die vier oberen oder unteren der zusammenfallenden Parabeln scharf abgebildet werden. Wenn man die Dicke der Microslides veränderte, entstanden die Muster zunächst in gleicher Größe. Sie wuchsen dann aber unter Kontrastverstärkung bis zu einem maximalen Wert an, der proportional mit der Dicke der Microslides zunimmt. Besonders war der Vergleich zwischen oberer und unterer Fokalebene mit der Größe der Elementarzelle. Die Messwerte für alle Proben und für alle Microslidedicken lagen auf einer Geraden durch den Nullpunkt. Hieraus ist zu schließen, dass die Mustergestalt der parabolischen Fokalkegel von einem einzigen Parameter, der Zellgröße, bestimmt wird, das heißt, alle Muster sind einander ähnlich. Um die Triebkraft für die Bildung der parabolischen Fokalkegel zu ermitteln wurden Proben angesetzt, abgedichtet und in bestimmten Zeitintervallen gewogen. Dabei wurde nachgewiesen, dass Wasser, Hexanol und vor allem Dekan durch den Kitverschluss diffundieren können. Das Phasendiagramm zeigt, dass bei Dekanverlust die lamellare Phase erhalten bleibt, dass aber dabei der interlamellare Abstand abnehmen muss. Für die geordnete Probe im Microslide wirkt dieser Vorgang aber wie eine erzwungene Dilatation, die zur Bildung der parabolischen Fokalkegel führt, um diesen Zwang auszuweichen. Hierdurch wird auch verständlich, dass sich die Proben nach Ausbildung des Musters nach einiger Zeit weiter verändern. Dabei treten Fließbewegungen des gesamten Musters auf. Dadurch werden Verzerrungen im Muster erzwungen. Es konnte dabei nachgewiesen werden, dass solche Verzerrungen nach Änderung des 90° Winkels vom Quadrat zu einem 60° Winkel wieder ein neues stabiles Rautengitter mit neuer Symmetrie ausbildeten. Dieses Gitter ist der Grenzfall der maximal möglichen Verzerrung eines regulären Musters parabolischer Fokalkegel zu einem Ellipsen-Hyperbel-Gitter. In Proben mit wenig lamellarer Phase entstanden in starker Dynamik aus hochgeordneten Bereichen der lamellaren Phase exakt hexagonal angeordneter Strukturen, die sich unter dem Polarisationsmikroskop wie Maltesertröpfchen verhielten. Die Eigenschaften von parabolischen Fokalkegeln sind hierbei völlig verschwunden. Es ist deshalb anzunehmen, dass bei diesem Gitter die Fokalkegel unter Ausbildung lamellar ähnlicher Tröpfchenstrukturen zunehmend zerstört werden.

Abstract in weiterer Sprache

Using the system sodiumdodecylsulfate / water / hexanol / decan as an example the behavior of such a system was examined in the immediate vicinity of L3 and lamellar phase. The idea for this is derived from earlier papers. There it was found that this system forms highly-arranged structures which are visible under the microscope. This work explains the formation of these structures and examines the phenomenon quanitatively. It is well-known that ordered lamellar or smectic phases can form parabolic focal conics, which are inclined to build regular patterns by forced dilatation. In the examined surfactant systems the sample containers were, however, fixed rather then being subjected to mechanical stress. Nevertheless well distinguishable parabolic focal conics were found. Therefore, it was the aim to document and describe all arising dynamic processes from the sample preparation up to the formation of the sample and its destruction. For the investigation of the structure formation samples from the lamellar single phase and two-phase area were filled, locked and observed in microslides of varying thicknesses. This showed that in the lamellar single phase area the formation of arranged lamellae could never be found. All samples remained unordered and showed strong birefringence. When the lamellar phase was withdrawn from samples with coexisting lamellar and L3 pseudoisotropy developed in all cases within a short time. Starting from the sealed edges of the microslides a nebularaze flag began to grow into the capillary in pseudoisotropic samples. Around the haze a movement of the liquid in opposite direction was observed. Even with a high magnification of the fog it could be proven how ordered pattern were formed from diffuse structures. These whole patterns moved against the haze propagation in direction of the sealed edges of the microslides. Thereby sample size, contrast and order increased strongly until finally large ranges with almost perfect squares were developed. Having chosen that method it was possible to produce high-arranged ranges in perfect square orientation over the entire visual field of the microscope. It could be clearly shown that the orientation of the regular pattern to the direction of the flow is always the same. The high uniformity of the lattices enabled the quantitative investigation of sample geometry. In the middle focal layer the symmetry is extraordinarily high because the parabolas running upward and downward are illustrated identically. In the case of changing the focus an upper and a lower focal layer are found. Here, either the four upper or the four lower collapsing parabolas are illustrated sharply. If one changed the thickness of the microslides the samples developed first in same size. After this the pattern size increased under contrast reinforcement up to a maximum value which is nearly proportional to the thickness of the microslides. Of extraordinary interest was the comparison between upper and lower focal layer distance with the size of the elementary cell. The measured values for all samples and for all thicknesses of the microslides lay on a straight line through the point of origin. Consequently the shape of the sample of the parabolic focal conics is cleary determined from a single parameter which is the cell size i.e. all samples are similar to each other. To determine the force for the formation of the parabolic focal conics the samples were prepared, sealed and weighed in certain time intervals. It was proven that water, hexanol and mainly decan are able to diffuse through the sealed microslides. The phase diagram illustrates this by the loss of decan the lamellar phase holds up but the interlamellar distance must decrease. For the ordered sample in the microslide this procedure works like a forced dilatation which forces the formation of the parabolic focal conics. The well developed patterns are not stable for long. Very slow flow movements of the sample can be detected. It could be shown that distortions formed a new stable rhomb lattice with new symmetry after changing the 90° angle from the square to a 60° angle. This new pattern belongs to the maximum value of distortion of a regular parbolic focal conic pattern to an ellipse-hyperbula-pattern. This lack of distinction is observed with all effects of aging of the parabolic focal conics. In order to examine this behavior up further, investigations in samples with only a little lamellar phase in coexisting L3-phase are proved as helpful. A development from highly ordered pseudoisotropic areas of the lamellar phase to accurately hexagonally arranged structures in a high dynamic process was found. The characteristic properties of parabolic focal conics were completely lost. It is to be expected that the rhomb ellipse-hyperbola-pattern is slowly transformed to maltese like conics.