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Main Title: Oscillatory structural forces
Translated Title: Oszillierende Strukturkräfte
Author(s): Schön, Sebastian
Advisor(s): von Klitzing, Regine
Referee(s): von Klitzing, Regine
Gradzielski, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Has Part: 10.14279/depositonce-11723
10.14279/depositonce-11724
Language Code: en
Abstract: The focus of this thesis is on the investigation of the ordering of nanoparticles in a geometric confinement between two outer surfaces at variable separations and the resulting forces acting on said surfaces, namely the oscillatory structural forces. At the beginning salt free aqueous suspensions of silica nanoparticles at varying concentrations are investigated via colloidal probe atomic force microscopy (CPAFM). Application of the commonly used fit equation, a decaying harmonic function, shows a persistent under-fitting of the measured data, especially at small separations. This sparked an in-depth analysis of the fit parameters in dependance of the fit starting point. Systematic deviations of the fit parameters are revealed leading to the addition of a second repulsive term to the fit equation. The main fit parameters benefit significantly from this new extended fit equation, their systematic deviations vanish and they become independent both of each other and of the starting point of the fit. Furthermore it is shown that the causal repulsion described by the additional term and thus its significance increases with the nanoparticle concentration. In the following, the additional repulsion is examined, with regard to its possible physical origin, at different approach speeds and salt concentrations. Although a kinetic contribution is identified, it cannot, due to its low magnitude, account for the observed additional repulsion. The comparison of the calculated Debye lengths with the decay-length of the additional repulsion in various experiments allows to relate the latter to the double-layer forces of the confining surfaces. On the other hand, it is not possible to identify the additional repulsion with the double-layer forces alone, since the former increases with increasing nanoparticle concentration and the associated increase in ion strength. It turns out that the special feature of the present system is a synergistic superposition of the double-layer forces with the oscillatory structural forces, which results in an enhanced ordering of the nanoparticles. In the last part of the thesis a new system for the investigation of oscillatory structural forces is presented. To this purpose, the physical properties of smart materials in the form of Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) gels are combined with those of nanoparticles. The resulting aqueous PNIPAM nanogel suspensions allow to reversibly switch on and off the oscillatory structural forces by means of an external parameter, in this case the temperature.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung des Ordnungsverhaltens von Nanopartikeln innerhalb einer geometrischen Einschränkung zwischen zwei äußeren Oberflächen mit variablen Abständen und den resultierenden Kräften, die auf diese Oberflächen wirken, den sogenannten oszillierenden Strukturkräften. Zu Beginn werden salzfreie wässrige Suspensionen von Kieselsäure-Nanopartikeln in unterschiedlichen Konzentrationen mittels Kolloidsonden-Rasterkraftmikroskopie (CP-AFM) untersucht. Verwendung der üblicherweise genutzten Fitgleichung, einer gedämpften harmonischen Funktion, zeigt eine fortwährende Unterfittung der gemessenen Daten, insbesondere bei kleinen Abständen. Dies löste eine eingehende Analyse der Fitparameter in Abhängigkeit vom Ausgangspunkt des Fits aus. Systematische Abweichungen der Fitparameter werden aufgezeigt, was zur Ergänzung der Fitgleichung mit einem zweiten abstoßenden Term führt. Die wichtigsten Fitparameter profitieren erheblich von dieser neuen erweiterten Fitgleichung, ihre systematischen Abweichungen verschwinden, und sie werden sowohl voneinander als auch vom Ausgangspunkt des Fits unabhängig. Weiterhin wird gezeigt, dass die ursächliche und durch den zusätzlichen Term beschriebene Abstoßung und somit auch dessen Bedeutung mit der Konzentration an Nanopartikeln zunimmt. Im Folgenden wird die zusätzliche Abstoßung im Hinblick auf ihren möglichen physikalischen Ursprung bei unterschiedlichen Annäherungsgeschwindigkeiten und Salzkonzentrationen untersucht. Obwohl ein kinetischer Beitrag identifiziert wird, kann er aufgrund seiner geringen Größe nicht für die beobachtete zusätzliche Abstoßung verantwortlich gemacht werden. Der Vergleich der berechneten Debye Längen mit der Abklinglänge der zusätzlichen Abstoßung in verschiedenen Experimenten erlaubt es letztere mit den Doppelschichtkräften der äußeren Begrenzungsflächen in Beziehung zu setzen. Andererseits verbietet sich eine alleinige Identifikation der zusätzlichen Abstoßung mit den Doppelschichtkräften, da erstere mit zunehmender Nanopartikelkonzentration und damit einhergehender Zunahme der Ionenstärke ansteigt. Die Besonderheit des vorliegenden Systems ist eine synergistische Überlagerung der oszillierenden Strukturkräfte mit der Doppelschichtkräften, die eine verstärkte Ordnung der Nanopartikel zur Folge hat. Im letzten Teil der Arbeit wird ein neues System zur Untersuchung von oszillierenden Strukturkräften vorgestellt. Zu diesem Zweck werden die physikalischen Eigenschaften von intelligenten Materialien in Form von Poly(NIsopropylacrylamid)-Gelen (PNIPAM) mit denen von Nanopartikeln kombiniert. Die resultierenden wässrigen PNIPAM-Nanogelsuspensionen erlauben es, die oszillierenden Strukturkräfte über einen externen Parameter, in diesem Fall die Temperatur, reversibel ein- und auszuschalten.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12118
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10994
Exam Date: 13-Nov-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 17-Dec-2020
DDC Class: 541 Physikalische Chemie
Subject(s): oscillatory structural forces
nanoparticles
confinement
colloidal probe
AFM
silica
PNIPAM
oszillierende Strukturkräfte
Nanopartikel
geometrische Einschränkung
kolloidale Sonden
Siliziumdioxid
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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