Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3105
Main Title: Structuring of colloidal dispersions in slit-pore confinement
Translated Title: Einfluss von geometrischen Einschränkungen und Grenzflächenmodifikationen auf die Strukturbildung kolloidaler Dispersionen in dünnen flüssigen Filmen
Author(s): Zeng, Yan
Advisor(s): Klitzing, Regine von
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit wurden drei charakteristische Größen der Strukturierung von geladenen Silica Nanopartikeln zwischen zwei festen, glatten Oberflächen untersucht und mit ihrem jeweiligen Gegenpart in der Volumenphase verglichen. Dabei fanden die experimentellen Techniken der Kleinwinkel Röntgenstreuung (SAXS) und Atom-Kraft-Mikroskopie (AFM) Anwendung. Zur weitergehenden Untersuchung des Einflusses der Oberflächeneigenschaften auf die Strukturierung in der geometrischen Beschränkung wurden AFM Messungen sowohl auf rauen als auch verformbaren Oberflächen durchgeführt. Zusätzlich wurden ungeladene Kolloide in Form von nichtionischen Tensidmizellen mittels AFM untersucht um den Einfluss von Oberflächenladung und Verformbarkeit der Kolloide zu bestimmen. Drei Größen, die Wellenlänge λ, die Abfallslänge ξ, und die Amplitude A, wurden aus den Kraftoszillationsprofilen der Silica-Nanopartikel zwischen zwei festen, glatten Oberflächen extrahiert. Es zeigte sich das λ und ξ gut mit dem durchschnittlichen Abstand der Teilchen 2π/q_max und der Korrelationslänge 2/Δq, wie sie aus den SAXS Strukturpeak bestimmt wurden, übereinstimmen. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass die Beschränkung keinen Effekt auf die charakteristischen Längen selbst hat, obwohl sie sehr wohl eine Schichtstruktur der Partikel induziert. Weitergehende Untersuchungen zeigten die grundlegende Gesetzmäßigkeit λ=ρ^-1/3 (ρ: Teilchenanzahldichte) unabhängig von der Partikelgröße (und der daraus folgenden Oberflächladung) oder der Debye-Länge κ^-1. Dieses Skalengesetz gibt eine generelle Beschreibung der Abstände zwischen geladenen Partikeln in Normalrichtung zu den beschränkenden Wänden, sofern die abstoßenden Wechselwirkungen genügend langreichweitig sind. Es wurde gefunden, dass die Abfalllänge sowohl von der Partikelgröße R als auch der Debye-Länge kontrolliert wird. Die Beziehung ξ=R+κ^-1 wurde für Silicapartikel-konzentrationen kleiner als 10 vol% gefunden. Die Amplitude A ergibt sich aus der Stärke der Wechselwirkungen der Partikel untereinander und mit den Wänden. Sie steigt linear mit dem Partikelvolumenanteil, dem Quadrat der Oberflächenladung der Partikel und invers proportional mit der Debye-Länge. AFM Messungen unter Modifizierung der begrenzenden Oberflächen zeigten, dass die Amplitude mit steigendem Oberflächenpotential, sowie sinkender Oberflächenrauhigkeit und Verformbarkeit zunimmt. Dabei werden λ und ξ weiterhin nicht beeinflusst. Das Skalengesetz λ=ρ^-1/3 für die Wellenlänge und die Beziehung ξ=R+κ^-1 für die Abfalllänge verlieren ihre Gültigkeit im Falle von nichtionischen Tensidmizellen. Amplitude und Abfalllänge wachsen mit steigender Tensidkonzentration, während die Wellenlänge gleich dem Mizellendurchmesser konstant bleibt. Verantwortlich hierfür sind die veränderten Wechselwirkungen von elektrostatischer Abstoßung hin zum Harte-Kugel-Modell.
Three characteristic quantities of the structuring of silica nanoparticles between two smooth solid surfaces were considered and compared with the bulk counterparts, by combining AFM and SAXS two experimental techniques. AFM measurements on rough surface(s) and deformable surface were further applied to investigate the effect of confining surface properties on the corresponding structuring. In addition, uncharged colloids: non-ionic surfactant micelles were used in AFM to study the effect of surface charge and deformability of the colloids. Three quantities, the wavelength λ, the decay length ξ, and the amplitude A, were extracted from oscillatory force profile of silica nanoparticles between two smooth solid surfaces. The first two characteristic lengths were found to correlate well with the mean particle distance 2π/q_max and correlation length 2/Δq, respectively, as obtained from SAXS structural peak. This observation suggests there is no confinement effect on characteristic lengths themselves that represent the structuring, even though the confinement indeed induces a layered structure of the particles. A more quantitative study revealed that the oscillatory wavelength of silica nanoparticles followed the bulk behavior, the relation of λ=ρ^-1/3 was observed irrespective of the particle size (and associated surface charge) and the ionic strength of the solution. The scaling law is a general description for the distance of charged particles in the direction normal to the confining walls, as long as the repulsive interaction is sufficiently long-ranged. The decay length was found to be controlled both by the particle size and ionic strength of the solution. A relation of ξ=R+κ^-1 was found at silica particle concentrations below 10 vol%. The amplitude A was found to be a consequence of the strength of interparticle and particle-wall interaction. It increases linearly with particle volume fraction and square of the surface charge of particles and inversely depended on the ionic strength of the solution. AFM measurements on modified and deformable confining surfaces showed the amplitude increased with increasing surface potential and decreasing surface roughness and deformability. However, the corresponding wavelength and correlation length remained the same. The scaling law of λ=ρ^-1/3 for oscillatory wavelength and the relation of ξ=R+κ^-1 for correlation length break down in the case of non-ionic surfactant micelles. With increasing surfactant concentration, both the amplitude and decay length increased, while the wavelength of micelles remained the same as the value of micelle diameter. This is because the interaction is characterized by the hard core of the micelles.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-33183
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3402
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3105
Exam Date: 7-Nov-2011
Issue Date: 3-Feb-2012
Date Available: 3-Feb-2012
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): CP-AFM
Mizellen
SAXS
Silica-Nanopartikel
Strukturierung
CP-AFM
Micelles
SAXS
Silica nanoparticles
Structuring
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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