Structure and dynamics of glass-forming fluids

Abstract

Colloidal dispersions are ubiquitous in our daily life and find numerous applications in industry and science. They are in particular used as a model system to study phase transitions in soft matter systems. In this thesis charge stabilized colloidal particles have been studied at different particle and electrolyte concentrations in the vicinity of the glass transition. Structural and dynamical properties of the system have been investigated by means of X-ray scattering methods. X-ray Photon Correlation Spectroscopy was employed to uncover the dynamics of the system. It revealed a dramatic slow down of the sample dynamics with increasing particle concentration and decreasing concentration of the electrolyte. The average structural properties were investigated by Small Angle X-ray Scattering. X-ray Cross Correlation Analysis allowed to study higher order structural correlations and investigate the local orientational order in the sample. The degree of higher order correlations was shown to increase for higher particle concentrations. Dominant components of local orientational order were observed for low particle concentrations and high electrolyte concentrations. In the glassy phase the behavior of higher order correlations is significantly distinct from a constant behavior of pair correlations.

Kolloidale Dispersionen sind in unserem täglichen Leben allgegenwärtig und finden vielfach Anwendung in Industrie und Wissenschaft. Sie werden insbesondere als Modelsysteme zur Untersuchung von Phasenübergängen weicher Materie benutzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ladungsstabilisierte Kolloide mit unterschiedlichen Teilchen- und Elektrolytkonzentrationen im Bereich ihres Glasübergangs untersucht. Strukturelle und dynamische Eigenschaften des Systems wurden mittels Röntgenstreumethoden analysiert. Dabei wurde Röntgenphotonenkorrelationsspektroskopie eingesetzt, um die Dynamik des Systems zu charakterisieren. So wurde eine starke Verlangsamung der Probendynamik mit ansteigender Partikel- und abfallender Elektrolytkonzentration beobachtet. Die mittlere Struktur wurde dagegen mithilfe von Röntgenkleinwinkelstreuung untersucht. Die Röntgenkreuzkorrelationsanalyse ermöglichte eine Untersuchung höherer Ordnungen struktureller Korrelationen und somit eine Bestimmung lokaler Orientierungsordnung in der Probe. Der Ordnungsgrad der Korrelationen steigt für hohe Partikelkonzentrationen. Für niedrige Partikel- und hohe Elektrolytkonzentrationen wurden dominante Symmetrien der lokalen Ordnung ermittelt. Dabei wurde deutlich, dass sich die Ausprägung der Korrelationen höherer Ordnung in der Glasphase deutlich von dem konstanten Verhalten der Paarkorrelationen unterscheidet.