Kurzfassung
Die Struktur und Dynamik von vier verschiedenen kolloidalen Systemen wurde mithilfe
kohärenter Röntgenstreumethoden untersucht. Die statische Struktur der Proben wurde
mittels Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) betrachtet, während die Dynamik mithilfe
von Röntgenphotonenkorrelationsspektroskopie (XPCS) untersucht wurde. Zunächst wurden
Korrelationen von Struktur und Dynamik in dichten Hartkugel- und ladungsstabilisierten
Systemen betrachtet. Die untersuchten Hartkugeln decken mit zunehmendem Volumenbruch
flüssige bis glasartige Zustände ab, während sich die untersuchten ladungsstabilisierten
Proben alle in flüssigen, einschließlich unterkühlten, Zuständen befinden. Die
Zeitskalen der Korrelationen höherer Ordnung wurden mit einer neu definierten Zeitkorrelationsfunktion
gC untersucht, die die zeitliche Entwicklung der Kreuzkorrelationsfunktion
C aus der Röntgenkreuzkorrelationsanalyse (XCCA) verfolgt. Für beide Systeme wurde
festgestellt, dass die lokale Ordnung innerhalb der Probe überproportional langlebig wird,
wenn sich das System dem Glasübergang nähert. Für die ladungsstabilisierten Partikel
wurden die Kreuzkorrelationen zwischen benachbarten Schalen mithilfe von XCCA untersucht.
Der fünfte Fourier Koeffizient (l = 5) dominierte bei dem höchsten Volumenbruch,
was ein Hinweis auf abwechselnde Schalen mit ikosaedrischer und dodekaedrischer Symmetrie
sein könnte, wie in Simulationsstudien vorhergesagt wurde.
Die Struktur und Dynamik von konzentrierten Silica-PNIPAm (Poly-N-isopropylacrylamid)
Nanogelen wurde als Funktion des hydrostatischen Drucks bis zu 3500 bar untersucht.
Bei steigendem Druck und abhängig vom anfänglichen Partikelvolumenbruch
wird bei Drücken von p ≈ 1500 bar und einer Temperatur von 293 K ein Übergang von
einem flüssigen oder glasartigen Zustand zu einem kolloidalen Gel beobachtet. Dabei
ähnelt das Verhalten der Dynamik dem in temperaturabhängigen Untersuchungen. Die
zeitabhängige Analyse der Dynamik nach Druckerhöhung zeigt eine Alterung in Glas- und
Gelproben, die im flüssigen Zustand nicht auftritt. Dies deutet auf eine stressdominierte
Dynamik bei Druckänderungen hin, die sich nach einigen 100 s ausgleicht.
Die Dynamik verdünnter, Polyethylenglykol-beschichteter Goldnanopartikel in Wasser
wurde als Funktion des Drucks von 0 bis 6000 bar und als Funktion der Temperatur
von 260 bis 293 K untersucht. Es wird keine Veränderung der Partikelgröße bei unterschiedlichem
Druck oder unterschiedlicher Temperatur beobachtet, was darauf hindeutet,
dass die zuvor beobachtete Kompression der Liganden bei hohen Konzentrationen mit
steigendem Druck ein Crowding-Effekt ist. Sowohl bei den druck- als auch bei den temperaturabhängigen
Messungen entsprach die extrahierte Viskosität von Wasser den Erwartungen aus früheren Studien. Dies zeigt die Machbarkeit der Messung von wässrigen
Systemen mit Längenskalen unter 40 nm und Viskositäten von η ≈ 1 Pas mittels XPCS.
Zusätzliche Messungen mit dem neu entwickelten TEMPUS-Detektor zeigen, wie ereignisbasierte
Detektoren den Zugang zu kürzeren Zeitskalen ermöglichen, die mit herkömmlichen
Detektoren nicht aufgelöst werden können.
The structure and dynamics of four different colloidal systems are investigated using coherent X-ray scattering methods. The static structure of the samples is studied using Small Angle X-ray Scattering (SAXS), while the dynamics are probed using X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS). First, correlations of structure and dynamics are investigated in dense hard-sphere and charge-stabilized systems. The studied hard spheres cover fluid to glassy states with increasing volume fraction, while the studied charge-stabilized samples are all in fluid, including supercooled, states. The timescales of higher-order correlations are investigated using a novel time correlation function gC, tracking the time evolution of the cross-correlation function C from X-ray Cross Correlation Analysis (XCCA). For both systems, the local order within the sample is found to become disproportionately more long-lived when the system approaches the glass transition. For the charge-stabilized particles, cross-correlations between neighbor shells were investigated using XCCA. The fifth Fourier coefficient (l = 5) dominated at the highest volume fraction, which could be a fingerprint of alternating shells of icosahedral and dodecahedral symmetry, as were predicted in simulation studies. The structure and dynamics of concentrated silica-PNIPAm (poly-N-isopropylacrylamide) nanogels is studied as a function of hydrostatic pressure up to 3500 bar. Upon increasing pressure and depending on the initial particle volume fraction, a transition from a liquid or glass state to a colloidal gel is observed for pressures p ≈ 1500 bar at a temperature of 293 K. The observed behavior of the dynamics is similar to temperature-dependent studies. Time-dependent analysis of the dynamics after pressure increase shows ageing in glass and gel samples which is absent in the liquid state. This indicates stress-dominated dynamics upon pressure changes that equilibrate after few 100 s. The dynamics of dilute, polyethylene glycol-coated gold nanoparticles in water are investigated as a function of pressure from 0 to 6000 bar and as a function of temperature from 260 to 293 K. No change of particle size is observed with varying pressure or temperature, indicating that the previously observed compression of the ligands at high concentrations with increasing pressure is a crowding effect. For both the pressure- and the temperaturedependent measurements, the extracted viscosity of water follows the expectation from previous studies. This demonstrates the feasibility of measuring aqueous systems with lengthscales shorter than 40 nm and viscosities of η ≈1 Pas using XPCS. Additional measurements using the newly developed TEMPUS detector show how event-based detectors give access to shorter timescales that cannot be resolved with conventional detectors.