PCS

Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS)

Prinzipieller Aufbau der Lichtstreuanlage
Prinzipieller Aufbau der Lichtstreuanlage

Die Dynamische Lichtstreuung eröffnet im Vergleich zu anderen Streumethoden wie z.B. der quasielastischen Neutronenstreuung eine relativ einfach realisierbare Möglichkeit, die Dynamik einer Probe zu untersuchen, da als Strahlungsquelle ein herkömmlicher Laser dient. Experimentell zugänglich wird dadurch die Dynamik von Nanopartikeln wie z.B. Diffusion von Kolloidteilchen, Mikroemulsionströpfchen oder Polymeren in Lösung aber auch die kollektive Diffusion von Molekülen, die in Konzentrationsfluktuationen z.B. in einer binären Mischung sichtbar wird. Mittels der sog. depolarisierten Lichtstreuung kann man aber auch Reorientierungsdynamik optisch anisotroper Moleküle untersuchen. Letztere ist dann grundsätzlich vergleichbar mit Ergebnissen aus der dielektrischen Spektroskopie oder der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie.

Fluktuation der Streulichtintensität einer Probe in Wasser dispergierter Latexkügelchen
Fluktuation der Streulichtintensität einer Probe in Wasser dispergierter Latexkügelchen
Autokorrelationsfunktion der Intensität, die aus dem Rauschsignal (s. links) gewonnen werden kann
Autokorrelationsfunktion der Intensität, die aus dem Rauschsignal (s. links) gewonnen werden kann

In der Photonenkorrelationsspektroskopie wird eine Probe mit Laserlicht bestrahlt und die fluktuierende Intensität des Streulichtes unter einem bestimmten Winkel als Funktion der Zeit gemessen. Die gemessenen Intensitätswerte werden dann in Zeitintervallen von 200 ns abgetastet und für jeden Zeitpunkt miteinander korreliert. Der Abfall der so erhaltenen Korrelationsfunktion liefert dann Informationen über das dynamische Verhalten der Probe, da die fluktuierende Intensität mit der fluktuierenden Polarisierbarkeit der Probe verknüpft ist. Das zugängliche Zeitfenster unserer Anlage reicht dabei von Mikrosekunden bis hin zu mehreren Tagen. Diese Zeitskalen sind einerseits zur Untersuchung der Diffusion von Nanopartikeln in einem viskosen Medium interessant andererseits aber auch dafür, molekulare Dynamik in der Nähe des Glasübergangs zu beobachten, die auf vielen unterschiedlichen Zeitskalen zwischen Pikosekunden und einigen hundert Sekunden stattfindet. Die Photonenkorrelationsspektroskopie liefert in dieser Hinsicht komplementäre Informationen zu anderen Methoden der dynamischen Lichtstreuung, wie z.B. der Rayleigh-Brillouin Spektroskopie mit einem Tandem Fabry-Perot Interferometer, die Informationen zur Dynamik im Bereich von Nano- bis Pikosekunden zugänglich macht. Eine Anlage dieser Art wird in der Arbeitsgruppe von Prof. Feile betrieben.

Besonder Aufbau

Die Probenkammer des optischen Kaltfingerkryostaten.
Die Probenkammer des optischen Kaltfingerkryostaten.

Eine Spezialität unseres Aufbaus ist, dass die Probe mittels eines Kaltfingerkryostaten in einem Bereich zwischen 475 K und 77 K temperiert werden kann. Der Bereich tiefer Temperaturen ist besonders für niedermolekulare Glasbildner interessant, der Hochtemperaturbereich hingegen ist vor allem geeignet um die Dynamik in Polymerschmelzen, -lösungen oder -mischungen zu untersuchen

Nebenstehende Abbildung zeigt den Probenhalter am Kaltfinger im Isoliervakuum. Je nach Ausrichtung des Vakuummantels lässt sich ein optischer Zungang zur Probe in einem Winkelbereich zwischen 25 und 155 Grad realisieren. Vorrangig werden an der Anlage reine und binäre Glasbildner, Polymere und Mikroemulsionen untersucht.

Einführende Literatur:

  • B.J. Berne, R. Pecora: „Dynamic Light Scattering“, Dover (2000)

Bei Fragen wenden Sie sich bitte an Dr. Thomas Blochowicz.