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.
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.
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.
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.
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.