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Lichtstreuung (SLS,DLS)
Kontakt: Dr. Lhoussaine Belkoura, Dr. Thomas Sottmann
Neben der Mikroskopie (Licht bzw. Elektronen) und der Kleinwinkelneutronen- und Röntgenstreuung stellt die Lichtstreuung eine essentielle Methode zur Charakterisierung der vielfältigen Mikrostruktur von komplexen Fluiden dar. Unterschieden werden dabei die statische und dynamische Lichtstreuung.
Statische Lichtstreuung (SLS)
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Die Charakterisierung der Mikrostruktur von Mikroemulsionen kann mit der Methode der statischen Lichtstreuung erfolgen, wenn die Strukturgrößen in der Größenordnung einiger 100 nm liegen [Dissertation Stefan Müller, Köln 2003]. Für diese Aufgaben stehen zwei kommerzielle Streulichtapparaturen der Firma ALV zur Verfügung, von denen eine in der Abbildung rechts zu sehen ist.
Ferner wird die statische Lichtstreuung (Mie-Streuung, s.u.) unter konstantem Winkel in den Nukleationspulskammern eingesetzt, um aus den absoluten Intensitäten die Anzahl der gebildeten Tröpfchen und Blasen zu bestimmen bzw. das Wachstum der gebildeten Tröpfchen bzw. Blasen als Funktion der Zeit zu verfolgen. Im Folgenden werden kurz die physikalischen Grundlagen der (statischen) Lichtstreuung erläutert.
Elektromagnetische Strahlung (Licht) induziert in Atomen, Molekülen und kleinen Teilchen (Durchmesser kleiner als ein zwanzigstel der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung) ein elektrisches Dipolmoment (Dipolnäherung), das aufgrund der Schwingung des elektrischen Feldvektors der elektromagnetischen Strahlung ebenfalls schwingt, wodurch das Molekül selber elektromagnetische Strahlung emittiert. Dieses Phänomen bezeichnet man im elastischen Fall (ohne Energieübertragung auf das Streuteilchen) als Rayleigh-Streuung.
Bei größeren Teilchen (Durchmesser in der Größenordnung der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung) gilt die Dipolnäherung nicht mehr, das heißt das induzierte elektrische Dipolmoment kann nicht mehr mit einem Vektor beschrieben werden. Vielmehr kommt es zur Interferenz der von den unterschiedlichen Streuzentren emittierten Strahlung, die charakteristisch ist für Durchmesser und Form des streuenden Teilchens (Mie-Streuung). Folglich können aus der winkelabhängig gemessenen, zeitlich gemittelten Streulichtintensität Information über Durchmesser und Struktur hinreichend großer Teilchen gewonnen werden.
Dynamische Lichtstreuung (DLS)
Zur Charakterisierung kleinerer Strukturgrößen in der Größenordnung 5-100 nm kommt die Methode der dynamischen Lichtstreuung zum Einsatz. Im Gegensatz zur statischen Messung werden in der dynamischen Lichtstreuung keine zeitlichen Mittelwerte der Streulichtintensität bestimmt, sondern die zeitlichen Fluktuationen der Streulichtintensität detektiert, die mit den zeitlichen Fluktuationen der Anzahldichte der Streuteilchen im Streuvolumen zusammenhängen. Da die Fluktuationen der Anzahldichte der Streuteichen im Streuvolumen auf die Diffusion der Streuteilchen durch das Streuvolumen zurückzuführen sind, werden diese Fluktuationen dann um so stärker sein, je größer der Diffusionskoeffizient ist. Aus dem Zeitverhalten der Fluktuationen lässt sich also eine Aussage über den Diffusionskoeffizient treffen. Dieses Zeitverhalten der Fluktuationen lässt sich mittels Autokorrelation der zeitlich aufgelösten Streulichtintensitäten bestimmen.
Prinzipiell bestimmt man mit der dynamischen Lichtstreuung Diffusionskoeffizienten bzw. Verteilungen von Diffusionskoeffizienten. Mit der Stokes-Einstein-Beziehung lassen sich dann unter der Annahme, dass sphärische Teilchen vorliegen, aus den Diffusionskoeffizienten die hydrodynamischen Radien der diffundierenden Teilchen berechnen.