Wozu Kolloide?

Was sind Kolloide?

Der Begriff "Kolloid" (griech. "leimartig"), der heute eher irreführend wirkt, wurde von Graham 1861 eingeführt. Dieser postulierte die Größe derartiger Partikel auf einen Bereich zwischen einem Nanometer und einem Mikrometer. Dieser Größenbereich wird auch heute noch häufig zur Definition von Kolloiden herangezogen.

Graphik Kolloide
Abb. 1: Kolloide Größenskala

Abbildung 1 veranschaulicht diesen Größenbereich und zeigt, daß Kolloide damit eine Position zwischen molekularen und Festkörperdimensionen einnehmen. Die Kolloidwissenschaften beschreiben damit Partikel, die molekulare und Festkörpereigenschaften in sich vereinen.

Kolloide sind also keine Substanzklasse; es geht vielmehr um einen Zustand der Materie, ähnlich wie die Aggregatszustände fest, flüssig und gasförmig. Das Besondere ist, daß sich wesentliche Stoffeigenschaften bei kolloidalen Dimensionen stark verändern.

Seit nunmehr über 150 Jahren beschäftigen sich Chemiker mit dem kolloidalen Zustand der Materie, von Ostwald als "Welt der vernachlässigten Dimensionen" bezeichnet. 1845 beschrieb Selmi wäßrige Dispersionen von Silberchlorid, Schwefel und Preußisch Blau, wenig später untersuchte Faraday Goldsole und stellte fest, daß der (kolloidale) Zustand thermodynamisch instabil sein müsse und die Stabilisierung ein kinetischer Effekt sei. Einige der von ihm präparierten Dispersionen können im British Museum noch heute besichtigt werden.

Die Kolloidforschung schuf Anfang dieses Jahrhunderts eine Verbindung zwischen der (präparativen) Chemie und der (theoretischen) Physik. Von Einstein stammt die Beziehung zwischen der Brownschen Molekularbewegung und dem Diffusionskoeffizienten; Perrin verwendete diese Beziehung zur Berechnung der Avogadro-Konstanten. Seitdem hat die Kolloidforschung weitere Verbindungen zwischen Fachrichtungen geknüpft: die Biologie und die Materialwissenschaften seien als Beispiele genannt.

Was zeichnet Kolloide aus?

Kolloide lassen sich in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften nicht mehr als Festkörper zutreffend beschreiben. Sie unterliegen dem sogenannten Größenquantisierungseffekt, der das Scheitern der klassischen Physik und die Notwendigkeit der quantenmechanischen Beschreibung kennzeichnet.

Graphik Bandlücke
Abb. 2: Abhängigkeit der Bandlücke von der Teilchengröße eines Halbleiterkolloids

Als Beispiel für ein derartige Eigenschaft zeigt Abb. 2 die Abhängigkeit der Bandlücke von der Teilchengröße eines Halbleiterkolloids an. Der kolloidale Halbleiter (zweiter von rechts) weist eine Bandlücke auf, die kleiner als die diskreten spektroskopische Übergänge in Molekülen, aber größer als die Bandlücke im kontinuierlichen Halbleiter ist. Die Variation von n, der Anzahl an Atomen, aus denen das Kolloid aufgebaut ist, hat relativ empfindliche Auswirkungen auf die spektroskopischen Eigenschaften des Partikels.

Cadmiumphosphid
Abb. 3: Cadmiumphosphid Cd3P2 abhängig von der Teichengröße

Abbildung 3 zeigt dafür ein Beispiel: Das (makroskopisch) schwarze Material Cadmiumphosphid Cd3P2 kann alle Farben bis hin zu weiß annehmen, wenn die Partikelgröße verringert und damit die Bandlücke vergrößert wird. Auf diese Weise lassen sich spektroskopische Eigenschaften anhand der Teilchengröße exakt einstellen.

Fluoreszenz von CDS-Partikeln
Abb. 4: Fluoreszenz von Cadmiumsulfid-Partikeln in Dispersion

Ein anderes Beispiel zeigt die Abb. 4: Hier wird die Fluoreszenz von Cadmiumsulfid-Partikeln in Dispersion von blaugrün nach rot verschoben, indem durch partielles Umfällen in die schwerer lösliche Verbindung HgS an der Oberfläche der Partikel die elektronischen Eigenschaften der Kolloide gezielt beeinflußt werden.

Hinsichtlich der Wechselwirkungen an den Phasengrenzflächen kolloidaler Partikel ist festzustellen, daß diese sehr viel intensiver als in bulk-Systemen zutage treten, da das Verhältnis von Oberfläche zu Masse oder Stoffmenge viel größer ist. Insofern liegt es nahe, die oben gegebene Definition von Kolloiden durch eine andere zu ersetzen, etwa:

Kolloide sind Partikel, deren Energie maßgeblich von der Oberfläche bestimmt werden.

Was bringen Kolloide für die Anwendung?

Die moderne Kolloidforschung trägt nicht nur erheblich zum Verständnis von Vorgängen in der Natur bei; sie besitzt auch vielfältige technische Anwendungen. Kolloidale Systeme haben erhebliche Bedeutung in der Lack- und Farbenindustrie, in der Herstellung von Hochleistungskunststoffen und in der Pharmazie. Der Größenquantisierungseffekt und die sich daraus ergebenden Änderungen der photokatalytischen, photochemischen, photovoltaischen und nicht linear-optischen Eigenschaften eröffnen zusätzlich eine Vielzahl interessanter Anwendungen.

Eine große Zahl von Produkten nutzt bereits heute kolloidale Eigenschaften. Das Spektrum der Anwendungen reicht von Waschmitteln über Lacke, Farben und high-tech-Tinten bis hin zu modernen Pharmazeutika. Anorganische Zuschlagstoffe, organische Pigmente, Polymere - in allen Bereichen der modernen Chemie kommen kolloidale Systeme zum Einsatz und bringen ständig neue Produkte mit verbesserten und (häufig) genau einstellbaren Eigenschaften hervor.

Nanolytics bietet sich Firmen als Partner an, die mit kolloidalen Systemen arbeiten, aber mit deren spezifisch größenbestimmten Eigenschaften Schwierigkeiten haben. Wir sind spezialisiert auf die Analytik kolloidaler Partikel und auf die Zusammenhänge dieser Parameter mit makroskopischen Eigenschaften der Endprodukte. Wir verfügen über einen Park an Meßmethoden, die speziell nanoskopische Parameter präzise erfassen können. Dabei steht die mächtige, aber schwer verfügbare und in der Anwendung anspruchsvolle Methode der Analytische Ultrazentrifugation im Mittelpunkt unseres Interesses.