Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3373
Main Title: An AFM study of the interactions between colloidal particles
Translated Title: Eine AFM-Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Kolloidteilchen
Author(s): Lüderitz, Liset
Advisor(s): Klitzing, Regine von
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Im vorliegenden Forschungsprojekt werden die Wechselwirkungskräfte zwischen zwei Kolloidteilchen untersucht. Die Wechselwirkungen zwischen kolloidalen Teilchen können sich von denen zwischen makroskopischen Körpern unterscheiden. Die Wechselwirkungen wurden mit einem „Colloidal Probe Atomic Force Microscope“ (CP-AFM) in verschiedenen Elektrolyten gemessen: CsCl, KCl, NaCl und LiCl. Die resultierenden Kräfte können sich je nach verwendeter Elektrolytlösung unterscheiden, was als Ionenspezifität bezeichnet wird. In dieser Untersuchung wurde für langreichende Wechselwirkungen keine Ionenspezifität der Adsorption von Gegenionen an der Silica-Oberfläche beobachtet, sondern eine leichte Tendenz dahingehend, dass bei 10^-3 M mehr Cs+ Ionen an der Oberfläche adsorbiert werden, als andere Gegenionen. Abweichungen von der DLVO-Theorie bei kleinen Abständen (nicht-DLVO Kräfte) wurden festgestellt. Bei 10^-4 M Ionenstärke wurden kurzreichende Anziehungskräfte gemessen, wohingegen bei 10^-3 M kurzreichende Abstoßungskräfte vorhanden waren. Eine Erläuterung der nicht-DLVO Kräfte wird auf Basis der Hydratationskräfte gegeben. In einem weiteren Kapitel werden die Wechselwirkungskräfte zwischen Siliciumoxidoberflächen in Gegenwart von Tensid-Lösungen untersucht. Basierend auf der qualitativen und quantitativen Analyse dieser Interaktionskräfte wird die Korrelation mit der Struktur der Tensid-Aggregate an den Oberflächen erklärt. Mit Hilfe eines AFM wurden die Wechselwirkungskräfte zwischen zwei kolloidalen Silica-Partikeln und zwischen einem kolloidalen Partikel und einem Silizium-Wafer, unter Einfluss von Hexadecyl-Trimethyl-Ammoniumbromid (CTAB) mit Konzentrationen von 0,005 mM bis 1,2 mM (CMC) gemessen. Um die Auswirkung der Oberflächenbehandlung auf die Tensid-Adsorption zu analysieren, wurden die Oberflächen auf unterschiedliche Weise vorbereitet - die Silica-Partikel wurden mit Plasma gereinigt, während die Silizium-Wafer mit einer Piranha-Lösung behandelt wurden. Die Wechselwirkungskräfte im Silica-Teilchen/Silica-Teilchen System unterschieden sich von denen im Silica-Teilchen/Silizium-Wafer System bei den jeweils gleichen untersuchten Konzentrationen. Dies deutet darauf hin, dass unterschiedliche Aggregatmorphologien an den jeweiligen Oberflächen vorhanden waren. Die Ladungsumkehr der Silica-Partikel trat bei einer CTAB Konzentration von 0,05 mM ein. Bei dieser Konzentration wurden nur Anziehungskräfte in den Interaktionskurven festgestellt. Im System Silica-Teilchen/Silizium-Wafer wurden bei 0,05 mM CTAB-Konzentration auch Anziehungskräfte beobachtet. Diese Interaktionen sind stärker und haben eine größere Reichweite als bei der Interaktion zwischen zwei Silica-Partikeln. Die Ladungsumkehr trat für das Silica-Teilchen/Silizium-Wafer System bei 0,3 mM ein. Zur Analyse des Einflusses der Nanobläschen auf die hydrophoben Wechselwirkungen wurden hydrophile Silizium-Wafer in wässrigen Lösungen mit CTAB-Konzentrationen zwischen 0,05 und 1 mM (CMC) untersucht. Die AFM-Untersuchungen zeigen, dass sich Nanobläschen bei Konzentrationen bis zu 0,4 mM bilden. Ab 0,5 mM wurden keine Nanobläschen festgestellt. Dies wird als die Bildung hydrophober Bereiche aus Tensid-Aggregaten, die bei etwa 0,5 mM hydrophil werden, interpretiert. Der hohe Kontaktwinkel der Nanobläschen (140-150° durch Wasser) im Vergleich zum makroskopischen Kontaktwinkel zeigt, dass sich die Nanobläschen auf den Tensid-Bereichen befinden. Eine kombinierte „Imaging AFM“ und „Colloidal Probe AFM“-Untersuchung diente dazu, die Nanobläschen zu lokalisieren und damit die Tensid-Bereiche an der Oberfläche zu identifizieren. Die Nanobläschen haben einen Durchmesser zwischen 30 und 60 nm (nach Spitzen-Dekonvolution), je nach Tensid-Konzentration. Dies entspricht einem Laplace-Druck von ungefähr 30 atm. Das Auftreten von Nanobläschen wird mit Kraftmessungen zwischen einem Silica-Teilchen und einem Silizium-Wafer Oberfläche korreliert. Die Untersuchungen sind ein Beitrag zu einem besseren Verständnis der kurzreichenden Anziehungskräfte zwischen hydrophilen Oberflächen, die einer Tensid-Lösung ausgesetzt sind. Die beiden Substrateigenschaften Hydrophobie und Rauheit beeinflussen die Morphologie und Größe der Nanobläschen. Nanobläschen mit einem Kontaktwinkel durch Wasser von 132° und einem Laplace-Druck von 18 atm wurden an der Grenzfläche eines hydrophob modifizierten Silizium-Wafer, der Wasser bzw. einer Tensid-Lösung ausgesetzt wurde, visualisiert. Eine Erhöhung der Tensid-Konzentration hat Einfluss auf die Morphologie der Nanobläschen - sie werden an der Oberfläche abgeflacht.
This research project is focused on the study of the interaction forces between two colloidal particles. The interaction between colloidal particles may differ from the interaction between macroscopic bodies. The interactions are measured across different electrolytes: CsCl, KCl, NaCl and LiCl using Colloidal Probe Atomic Force Microscope (CP-AFM) techniques. The resulting forces may be different depending on the electrolyte solution used, which is known as ion specificity. In this study no ion specificity effect is observed at long range for the adsorption of counterions to the silica surface but a slight tendency for Cs+ to be more adsorbed at the surface than the other counterions is present at 10^−3 M. Deviations from the DLVO theory at small separations (non-DLVO forces) are reported in this work. Short range attractions at 10^−4 M ionic strength were measured whereas at 10^−3 M short range repulsions are present. An explanation of the non-DLVO forces is given based on the hydration forces. A further chapter studies the interaction forces between silicon oxide surfaces in the presence of surfactant solutions. Based on the qualitative and quantitative analysis of these interaction forces the correlation with the structure of the aggregates on the surfaces is analysed. A colloidal probe atomic force microscope (AFM) was used to measure the forces between two colloidal silica particles and between a colloidal particle and a silicon wafer in the presence of hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) at concentrations between 0.005 mM and 1.2 mM. Different interaction forces were obtained for the silica particle–silica particle system when compared to those for the silica particle–silicon wafer system for the same studied concentration. This indicates that the silica particles and the silicon wafer have different aggregate morphologies on their surfaces. The point of zero charge (pzc) was obtained at 0.05 mM CTAB concentration for the silica particles and at 0.3 mM for the silica particle–silicon wafer system. This indicates a higher charge at the silicon wafer than at the silica particles. The observed long range attractions are explained by nanobubbles present at the silicon oxide surfaces and/or by attractive electrostatic interactions between the sur- faces, induced by oppositely charged patches at the opposing Si oxide surfaces. In order to analyze the role of the nanobubbles on the hydrophobic interactions hydrophilic silicon wafers were studied against aqueous solutions of CTAB at concentrations between 0.05 mM and 1 mM (CMC). AFM studies show that nanobubbles are formed at concentrations up to 0.4 mM. From 0.5 mM upward, no bubbles are detected. This is interpreted as the formation of hydrophobic domains of surfactant aggregates, becoming hydrophilic at about 0.5 mM. The high contact angle of the nanobubbles (140-150° through water) in comparison to the macroscopic contact angle indicates that the nanobubbles are located on the surfactant domains. A combined imaging and colloidal probe AFM study serves to highlight the surfactant patches adsorbed at the surface via nanobubbles. The nanobubbles have a diameter between 30 and 60 nm (after tip deconvolution), depending on the surfactant concentration. This corresponds to a Laplace pressure of about 30 atm. The presence of the nanobubbles is correlated with force measurements between a silica probe and a silicon wafer surface. The study is a contribution to a better understanding of the short range attraction between hydrophilic surfaces exposed to a surfactant solution. The substrate properties hydrophobicity and roughness influence the morphology and size of the nanobubbles. Nanobubbles with a contact angle through water of 132° and a Laplace pressure of 18 atm were visualized at the interface of a hydrophobically modified silicon wafer exposed to water and surfactant solutions. An increase in surfactant concentration has an impact on the morphology of the nanobubbles, they were flattened at the surface with increasing surfactant concentration.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-37149
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3670
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3373
Exam Date: 14-Sep-2012
Issue Date: 17-Oct-2012
Date Available: 17-Oct-2012
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Interaktionen
Kolloide
Nanoblasen
Rasterkraftmikroskopie
Wechselwirkungen
Colloids
Interactions
Nanobubbles
Scanning Force Microscopy
Surfactant
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