Größenquantisierungseffekt

Was ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften betrifft, so können Kolloide nicht konsistent beschrieben werden, wenn man sie nur als feste Materie versteht. Sie unterliegen dem „Größenquantisierungseffekt“, für dessen Beschreibung die klassische Physik versagt und Aspekte der Quantenmechanik erfordert.

Abbildung 1: Abhängigkeit der Bandlücke eines kolloidalen Halbleiters von der Teilchengröße

Ein Beispiel für derartige Eigenschaften ist in Abbildung 2 dargestellt, welche die Abhängigkeit der Bandlücke eines kolloidalen Halbleiters von der Teilchengröße zeigt. Sie ist größer als die diskreten spektroskopischen Übergänge des molekularen Halbleiters, aber größer als die im Volumenmaterial. Die Variation der Anzahl der im Teilchen assoziierten Atome bestimmt die spektroskopischen Eigenschaften des Teilchens in empfindlicher Weise, ein Effekt, der mit dem bloßen Auge beobachtet werden kann.

Abbildung 2: Cadmiumphosphid mit unterschiedlichen Farben je nach Teilchengröße

Dieser Effekt ist in Abbildung 3 dargestellt, wo der Halbleiter Cadmiumphosphid, der als Feststoff schwarz erscheint, alle Farben annehmen kann, sogar weiß, wenn die Teilchengröße – und damit die Bandlücke – verkleinert wird. Die spektroskopischen Eigenschaften können also durch Anpassung der Partikelgröße eingestellt werden.

Abbildung 3: Fluoreszenz unterschiedlicher Farbe bei Cadmiumsulfid-Dispersionen

Ein weiteres Beispiel ist in Abbildung 4 dargestellt. Hier wird die Fluoreszenzfarbe von Cadmiumsulfiddispersionen von blau-grün nach rot verschoben, indem eine weniger lösliche Verbindung, in diesem Fall Quecksilbersulfid, teilweise auf der Partikeloberfläche ausgefällt wird. Auf diese Weise lassen sich die elektronischen Eigenschaften von Kolloiden gezielt beeinflussen.

Die Wechselwirkungen an den Grenzflächen der Partikel sind im Vergleich zu Feststoffsystemen ausgeprägter, da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei Kolloiden wesentlich größer ist. Da das Volumen mit der Masse und der Menge des Materials zusammenhängt, erscheint es sinnvoll, die obige Definition von Kolloiden durch eine solche zu ersetzen:

Kolloide sind Partikel, deren Energie maßgeblich durch deren Oberfläche bestimmt wird.