Brownsche Dynamik nanoskopischer, anisotroper Partikel im
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Brownsche Dynamik nanoskopischer, anisotroper Partikel im externen elektrischen Feld Brownian dynamics of nanoscopic, anisotropic particles in an external, electric field Zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Dissertation von Dipl.-Phys. Christina Lederle aus Freiburg Tag der Einreichung: 23.11.2015, Tag der Prüfung: 08.02.2016 Darmstadt 2016—D 17 1. Gutachten: Prof.Dr.B.Stühn 2. Gutachten: Prof.Dr.R.Feile Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 7 2. Orientierung anisotroper Partikel im elektrischen Feld 9 3. Detektion von Dynamik und Struktur anisotroper Teilchen 13 4. Probensysteme: Anisotrope Partikel 27 5. Statische Struktur im äußeren elektrischen Feld 55 6. Dynamik im äußeren elektrischen Feld 93 3.1. Untersuchungen mit Röntgenkleinwinkelstreuung................................................................... 3.1.1. Verschiedene Formfaktoren ............................................................................................ 3.1.2. Polydispersität im Radius oder bei der Länge von Zylindern .................................... 3.1.3. Experimenteller Aufbau der Röntgenkleinw inkelstreuanlage.................................... 3.2. Untersuchungen mit dynamischer L ichtstreuung...................................................................... 3.2.1. Rotations-und Translationsdiffusion.............................................................................. 3.2.2. Funktionen zur Beschreibung von experimentellen D a te n .......................................... 3.2.3. Bestimmung der Größen eines T e ilc h e n s ...................................................................... 3.2.4. Experimenteller Aufbau der dynamischen Lichtstreuanlage....................................... 4.1. Kontrolliert gewachsene Polym eraggregate.............................................................................. 4.1.1. Herstellung zylindrischer Mizellen definierter L ä n g e .................................................. 4.1.2. Bestimmung von Zylinderlänge und -b reite................................................................... 4.1.3. Wachstumskinetik der zylindrischen M iz e lle n .............................................................. 4.2. Goldnanostäbchen ........................................................................................................................ 4.2.1. Herstellung von Goldnanostäbchen definierter Länge ................................................ 4.2.2. Bestimmung von Länge und Breite der Goldnanostäbchen mittels ТЕМ ................. 4.3. G raphennanoplättchen.................................................................................................................. 4.4. Anisotropes Matrixmaterial: Der Flüssigkristall 5 G B ................................................................ 4.4.1. Skalarer Ordnungsparameter der nematischen P h ase.................................................. 4.4.2. Elektrische Eigenschaften und Freédericksz-Übergang................................................ 4.5. Partikel dispergiert im anisotropen M atrixm aterial................................................................... 5.1. Experimenteller Aufbau feldabhängiger SAXS-Messungen..................................................... 5.2. Abschätzung der Übergangsfeldstärke für Orientierung anisotroper P a rtik e l....................... 5.2.1. Abschätzung der Orientierungsdauer ........................................................................... 5.3. Ausrichtungsparameter elektrisch orientierter P ro b e n .............................................................. 5.4. Orientierung des Flüssigkristalls 5 G B ......................................................................................... 5.5. Orientierung von G oldnanostäbchen ......................................................................................... 5.5.1. Orientierung von Goldnanostäbchen unter F eld ein flu ss............................................. 5.5.2. Orientierung von Goldnanostäbchen dispergiert in 5 G B ............................................. 5.6. Orientierung von G raphennanoplättchen.................................................................................... 5.7. Orientierung kontrolliert gewachsener Polymeraggregate........................................................ 5.8. Zusammenfassung ........................................................................................................................ 6.1. Experimenteller Aufbau feldabhängiger DLS-M essungen....................................................... 13 14 15 16 17 19 21 23 24 27 30 31 42 45 45 46 48 50 51 52 54 55 57 60 60 63 67 73 76 80 87 90 93 6.2. Polystyrolkugeln unter Feldeinfluss als Modell ......................................................................... 94 6.2.1. Überlagerung von diffusiver und ballistischerBewegung ........................................... 96 6.2.1.1. Beschreibung der Überlagerung diffusiver und ballistischer Bewegung . . 100 6.3. Goldnanostäbchen unter Feldeinfluss.............................................................................................109 6.3.1. Einfluss von Oberflächenplasmonen auf dynamische L ichtstreum essungen........... 109 6.3.2. Orientierung von G oldnanostäbchen..................................................................... 116 6.4. Polymeraggregate unter Feldeinfluss .............................................................................................124 6.5. Zusammenfassung ........................................................................................................................... 127 7. Zusammenfassung 8. Literatur A. Anhang 129 130 141 А.1. Alternative Probenzelle für feldabhängige SAXS-Messungen......................................................141 B. Veröffentlichungen C. Lebenslauf 143 145
