Casimir-Effekt strukturiert Kolloide

Fluktuationen in einem Flüssigkeitsgemisch rufen ordnende Kräfte hervor.

Parallele Metallplatten ziehen einander an, auch wenn sie ungeladen sind. Bei einem Abstand von 10 nm ist die Anziehungskraft pro Flächeneinheit so groß wie der Atmosphärendruck. Diese von Hendrik Casimir 1948 vorhergesagte Kraft wird von den Vakuumfluktuationen des elektromagnetischen Feldes zwischen den Platten verursacht. Je kleiner der Plattenabstand ist, umso weniger Schwingungsmoden passen zwischen die Platten, umso geringer ist die Vakuumenergie des Feldes. Dies führt zu einer anziehenden Kraft. Doch auch klassische Fluktuationen, wie die kritischen Dichteschwankungen einer Flüssigkeit, können eine Kraft hervorrufen. Diese kritische Casimir-Kraft hat überraschende Folgen, wie Forscher der Universität Stuttgart herausgefunden haben.

Clemens Bechinger und seine Kollegen haben den kritischen Casimir-Effekt an einer kolloidalen Suspension untersucht: einer binären Flüssigkeitsmischung von Wasser und Lutidin, in der 2,4 µm große Polystyrolkugeln gelöst waren. Unterhalb einer kritischen Temperatur von 33 °C bildeten die beiden Flüssigkeiten eine homogene Phase, während sie sich bei darüber liegenden Temperaturen entmischten. Näherte sich die homogene Phase der kritischen Temperatur Tc, so traten immer größere entmischte Bereiche auf, die jedoch sogleich wieder verschwanden. Nahe Tc wurden diese Bereiche so groß, dass sie das Licht streuten. Es kam zur kritischen Opaleszenz.

Die dem kritischen Casimir-Effekt zugrunde liegen Fluktuationen ließen sich also leicht über die Temperatur regeln. Die nötigen Oberflächen lieferten die Polystyrolkugeln sowie der Deckel und der Boden des Glasbehälters, zwischen denen die 150 µm dicke Flüssigkeitsschicht eingeschlossen war. Zwischen den Kugeln und einer Glasoberfläche konnten sowohl anziehende als auch abstoßende Kräfte wirken, wie frühere Experimente der Stuttgarter Forscher gezeigt hatten. Wurden die Kugeln wie auch die Glasoberfläche hydrophil gemacht und die Temperatur in die Nähe von Tc gebracht, so wirkten anziehende Casimir-Kräfte zwischen ihnen. Waren die Kugeln hydrophil und die Glasoberfläche hydrophob, so stießen sie einander ab.

Um diesen Effekt zu nutzen, überzogen die Forscher eine Glasoberfläche mit einer hydrophoben Monolage aus Hexamethyldisilazan. Anschließend entfernten sie diese Schicht lokal mit einem fokussierten Ionenstrahl. Auf diese Weise stellten sie eine schachbrettförmige Anordnung von 2,6 µm großen, hydrophilen quadratischen Bereichen in der ansonsten hydrophoben Glasoberfläche her. Eine Videokamera verfolgte die Bewegungen der Kugeln in der Flüssigkeit, während deren Temperatur schrittweise erhöht wurde. War der Abstand zu Tc etwa 0,7 K, so konnten sich die Kugeln praktisch ungehindert über die Glasoberfläche bewegen. Bei 0,14 K Temperaturdifferenz wurde die anziehende Casimir-Kraft über den hydrophilen Bereichen indes so stark, dass die Kugeln dort festgehalten wurden. Die Kugeln ließen sich also durch eine kleine Temperaturänderung ordnen oder wieder durcheinander bringen.

Wurde die Zahl der Kugeln in der Flüssigkeit stark erhöht, so trat für Temperaturen nahe Tc auch zwischen den Kugeln eine merkliche Casimir-Kraft auf, die anziehend wirkte. Diese Kraft stand in Konkurrenz mit der Casimir-Kraft, die die Glasoberfläche auf die Kugeln ausübte. War die Glasoberfläche hydrophil, so zog sie die Kugeln an, die sich dann wegen ihrer gegenseitigen Anziehung in einlagigen Schichten anordneten. Eine hydrophobe Glasoberfläche hingegen stieß die Kugeln ab, sodass sie aufgrund der zwischen ihnen wirkenden Anziehungskräfte dicht gepackte Cluster bildeten, die bis zu drei Kugellagen dick waren. Die Forscher vermuten, dass bei weiterer Annäherung an Tc die Kräfte zwischen den Kugeln so groß werden, dass eine neu zu einem Cluster hinzukommende Kugel anhaftet und nicht mehr auf der Clusteroberfläche diffundieren kann. In diesem Fall würden fraktale oder dendritische Cluster heranwachsen.

Der kritische Casimir-Effekt ermöglicht es, eine Vielzahl von kolloidalen Strukturen auf geeignet präparierten Oberflächen herzustellen. Außerdem können diese Strukturen durch einfache Temperaturänderung reversibel ineinander umgewandelt werden. Die dabei im Mikrometerbereich gewonnenen Erfahrungen lassen sich möglicherweise auch bei der Herstellung von Nanostrukturen nutzen.

RAINER SCHARF


Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  Florian Soyka et al.: Critical Casimir Forces in Colloidal Suspensions on Chemically Patterned Surfaces. Phys. Rev. Lett. 101, 208301 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.208301
• Gruppe von Clemens Bechinger an der Universität Stuttgart:
  http://www.pi2.uni-stuttgart.de/contact/index.php
  

Weitere Literatur:

• Klaus Mecke: Die Kraft kritischer Fluktuationen. Physik Journal 7, Nr. 3 (2008)
  http://www.pro-physik.de/Phy/pdfstart.do?mid=3&articleid=26628&recordid=26681
  http://www.pi2.uni-stuttgart.de/contact/redaxo_research/physikJournal.pdf (frei!)
• C. Hertlein et al.: Direct measurement of critical Casimir forces. Nature 451, 172 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06443
• Sébastien Balibar: The force of fluctuations. Nature 451, 136 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1038/451136a
• Jon Cartwright : Casimir effect goes classical. Physics World News (9.1.2008)
  http://physicsworld.com/cws/article/news/32380
• Kräfte aus dem Nichts. Pressemitteilung MPG (10.1.2008)
  http://www.pro-physik.de/Phy/leadArticle.do?laid=10044

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