Rheologische und rheodielektrische Lochbrennspektroskopie zur Erforschung supramolekularer Relaxationsprozesse in niedermolekularen Glasbildnern

• Antragsteller: Professor Dr. Roland Böhmer
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 319140174

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Projektes wurde die bisher fast ausschließlich auf Polymerlösungen und -schmelzen angewandte Fourier-Transformations-Rheologie zur Erforschung auch von niedermolekularen und oligomeren Substanzen im Bereich höherer Schubmoduln adaptiert. Dies wurde genutzt, um supramolekulare Prozesse in wasserstoffbrückenbildenden Flüssigkeiten zu identifizieren, die mit anderen Methoden bislang nicht oder nur eingeschränkt zugänglich waren. Obwohl sich die Messung von mechanischen Lochbrennspektren aufgrund diverser apparativer Probleme zunächst als nicht völlig überzeugend herausgestellt hat, haben wir dort benutzte, von uns früher entwickelte Konzepte wie die Anwendung eines Phasenzyklus, auf unserem Rheometer implementiert und konnten so im Rahmen einer Transientenanalyse – analog zu dielektrischen Experimenten – nichtlineare Schermessungen bis in den Bereich der strukturellen Relaxation ausführen. Zwar haben wir auch erfolgreich nichtlineare dielektrische Experimente durchgeführt, allerdings konnten, wie im vorigen Abschnitt dokumentiert, im Bereich der rheodielektrischen Kombinationsexperimente die angestrebten Ziele nicht umgesetzt werden. Bei den von uns durchgeführten theoretischen Analysen der nichtlinear rheologischen Resultate haben wir einen Nichtlinearitätsparameter erster Ordnung (1Q0) definiert. Wir konnten dessen Nützlichkeit sowohl durch Betrachtung einer Reihe von Konstitutivgleichungen als auch experimentell anhand von Messungen an hydroxylterminierten Polydimethylsiloxanen zeigen. Insgesamt haben wir im vorliegenden Projekt eine Reihe von methodischen Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der nichtlinearen Rheologie vorangetrieben und konnten auf dieser Grundlage mehrere materialwissenschaftliche Fragestellungen klären.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Generic primary mechanical response of viscous liquids, Phys. Rev. Lett. 119, 248001/1-5 (2017)
  S. P. Bierwirth, R. Böhmer, C. Gainaru
  
• Scaling of suprastructure and dynamics of pure and mixed Debye liquids, in: The scaling of relaxation processes, edited by A. Loidl, F. Kremer (Springer, Cham, 2018), Chapter 5, p. 121-171
  S. P. Bierwirth, J. Bolle, S. Bauer, C. Sternemann, C. Gainaru, M. Tolan, R. Böhmer
  
• Transient nonlinear response of dynamically decoupled ionic conductors, Phys. Rev. Lett. 121, 064503/1-6 (2018)
  F. Wieland, A. P. Sokolov, R. Böhmer, C. Gainaru
  
• First-order and third-order nonlinearities from medium-amplitude oscillatory shearing of hydrogen-bonded polymers and other viscoelastic materials, Macromolecules 52, 8690-8704 (2019)
  S. P. Bierwirth, G. Honorio, C. Gainaru, R. Böhmer
  
• Linear and nonlinear shear studies reveal supramolecular responses in supercooled monohydroxy alcohols with faint dielectric signatures, J. Chem. Phys. 150, 104501/1-12 (2019)
  S. P. Bierwirth, G. Honorio, C. Gainaru, R. Böhmer
  
• Separation of supramolecular and structural relaxations in a model peptide achieved by nonlinear electrical and rheological spectroscopies, Soft Matter 15, 4334-4345 (2019)
  G. Honorio, S. P. Bierwirth, C. Gainaru, R. Böhmer