TU Darmstadt / ULB / TUprints

Surface forces across colloidal dispersions

Ludwig, Michael (2021):
Surface forces across colloidal dispersions. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019098,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Surface forces across colloidal dispersions
Language: English
Abstract:

Colloid based products are ubiquitous in our daily life and precise knowledge of the interactions in these systems is of great interest in basic as well as in applied sciences. This thesis studies forces between macroscopic surfaces interacting across concentrated colloidal dispersions, focussing on the mutual effect between the dispersions' nanostructure and surface forces. Besides the well-known DLVO-type surface forces, specific structuring of colloidal particles may induce the so-called oscillatory structural forces. In particular, this study utilises two model colloidal dispersions: suspensions of silica nanoparticles and dispersions of self-assembled surfactant micelles. Throughout this work, surface forces across these colloidal dispersions are measured using colloidal-probe atomic force microscopy.

In dispersions of charged colloidal particles, electrostatic interactions cause a pronounced interparticle structuring. For spherical particles, the mean interparticle distance scales with the particles' volume fraction according to an inverse cubic root scaling law. Oscillatory structural forces across these dispersions typically show a wavelength which is directly related to the respective mean interparticle distance. Consequently, the measurement of oscillatory structural forces can be utilised as a tool for characterisation of colloidal particles, knowing the particles' volume fraction. This is demonstrated by measuring surface forces across concentrated silica nanoparticle suspensions to determine the respective nanoparticles' diameters.

The validity of this inverse cubic root scaling law is checked upon variation of the particles' surface charges. Mixing nonionic and anionic surfactants form particles with tunable surface charge as demonstrated by small-angle neutron scattering. It is shown that the inverse cubic root scaling law is only valid for highly charged colloidal particles. If the particles carry little or no charges, their interparticle structuring decreases. By this means, the oscillatory structural forces across dispersions are precisely tuned not only by the particles' volume fraction but also by the amount of surface charges per particle.

Complete description of the surface forces requires further contributions, other than the oscillatory structural forces. Here, forces between charged surfaces across concentrated silica nanoparticle suspensions are modelled as a superposition of two individual contributions - the electrostatic double layer and the oscillatory structural force. The electrostatic screening length of colloidal dispersions, an important parameter for the description of the electrostatic double layer force, is independently determined by conductivity measurements. In that way, both force contributions are untangled. This enables a uniform description of the surface forces from a few hundred nanometres down to the surfaces being almost in contact.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Kolloid-basierte Produkte spielen eine große Rolle in unserem täglichen Leben. Das Verständnis der Wechselwirkungen in diesen Systemen stellt einen wichtigen Aspekt der aktuellen Forschung dar. Diese Arbeit untersucht Oberflächenkräfte in kolloidalen Dispersionen im Hinblick auf die gegenseitige Beeinflussung der Nanostruktur dieser Dispersionen und der Oberflächenkräfte. Neben den Oberflächenkräften, welche durch die DLVO-Theorie beschrieben werden, treten oszillierende Strukturkräfte aufgrund einer spezifischen Ordnung der kolloidalen Partikel auf. Es werden zwei Modellsysteme als kolloidale Dispersionen verwendet: Suspensionen von Siliziumdioxid-Nanopartikeln und Dispersionen von Tensidmizellen. Im Rahmen dieser Arbeit werden Oberflächenkräfte in kolloidalen Dispersionen mit Hilfe der kolloidalen Sonden-Rasterkraftmikroskopie gemessen.

Elektrostatische Wechselwirkungen verursachen in Dispersionen von geladenen Partikeln eine ausgeprägte Ordnung zwischen diesen. Für sphärische Partikel skaliert der mittlere Partikelabstand mit dem Volumenanteil der dispergierten Partikel über eine inverse Kubikwurzelabhängigkeit. Oszillierende Strukturkräfte in diesen Dispersionen zeigen typischerweise eine Wellenlänge, welche sich direkt auf den mittleren Partikelabstand bezieht. Mit diesem Wissen kann eine Messung von oszillierenden Strukturkräften, bei bekanntem Volumenanteil der Partikel, zur Bestimmung von Partikeleigenschaften genutzt werden. Im Speziellen wird dies anhand der Bestimmung der Durchmesser von Nanopartikeln durch Kraftmessungen in kolloidalen Suspensionen demonstriert.

Die Gültigkeit dieser inversen Kubikwurzelabhängigkeit wird im Hinblick auf eine veränderte Oberflächenladung der Partikel überprüft. Durch Mischung von nicht-ionischen und ionischen Tensiden kann die Oberflächenladung von Partikel eingestellt werden, was mit Hilfe von Kleinwinkel-Neutronenstreuung nachgewiesen wird. Es wird gezeigt, dass die inverse Kubikwurzelabhängigkeit ausschließlich bei stark geladenen Partikeln erhalten wird. Mit abnehmender Oberflächenladung ist die Ordnung zwischen den Partikeln weniger ausgeprägt und deren mittlerer Partikelabstand reduziert. Somit werden oszillierende Strukturkräfte in diesen Dispersionen sowohl über den Volumenanteil, als auch die Oberflächenladung der Partikel genau angepasst.

Um die komplette Oberflächenkraft zu beschreiben ist es notwendig neben den oszillierenden Strukturkräften weitere Kraftbeiträge zu betrachten. Hier werden Kräfte zwischen geladenen Oberflächen in Suspensionen von Nanopartikeln mit einer Superposition von elektrostatischen Doppelschichtkräften und oszillierenden Strukturkräften modelliert. Die elektrostatische Abschirmlänge kolloidaler Dispersionen, ein wichtiger Parameter für die Beschreibung der elektrostatischen Doppelschichtkraft, wird über Leitfähigkeitsmessungen unabhängig bestimmt. Auf diese Weise können beide Kraftbeiträge separiert werden. Dies ermöglicht eine einheitliche Beschreibung der Oberflächenkraft bis zu einem Abstand, bei welchem sich beide Oberflächen fast berühren.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiii, 131 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for Condensed Matter Physics > Soft Matter at Interfaces (SMI)
Date Deposited: 03 Aug 2021 07:06
Last Modified: 03 Aug 2021 07:07
DOI: 10.26083/tuprints-00019098
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-190985
Referees: von Klitzing, Prof. Dr. Regine ; Schneck, Prof. Dr. Emanuel
Refereed: 30 June 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19098
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