Polymer induced colloidal interactions : measured by direct and indirect methods

Kleshchanok, Dzina; Richtering, Walter

doi:28186

Polymer induced colloidal interactions : measured by direct and indirect methods = Polymerinduzierte Kolloidwechselwirkungen : Messung durch direkte und indirekte Methoden

Kleshchanok, Dzina (Author)

2007 & 2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dzina Kleshchanok

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

Umfang161 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Prüfungsjahr: 2007. - Publikationsjahr: 2008

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Richtering, Walter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-11-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-21044
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/49919/files/Kleshchanok_Dzina.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kolloid (Genormte SW) ; Wechselwirkung (Genormte SW) ; Polymere (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; Lichtstreuung (frei) ; Total Internal Reflection Microscopy (frei) ; Light scattering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Diese Doktorarbeit berichtet über direkt oder indirekt gemessene Paar-Wechselwirkungen in Mischungen von Kolloiden und Polymeren in Lösung. Solche Mischungen haben eine große Bedeutung für den Alltag. Das kann man am Beispiel von Joghurt und anderen Molkereiprodukten sehen, die unter anderem aus Eiweißen (Biokolloiden) bestehen und zum Ausflocken (Phasentrennung) gebracht werden, sobald langkettige Zuckermoleküle (Polymere) in zugefügt werden. Das Phasenverhalten von solchen Kolloid-Polymer Mischungen wird von den Wechselwirkungen im System bestimmt. Deshalb ist es wichtig diese Wechselwirkungen zu untersuchen. Es ist außerdem bekannt, dass die physikalischen Eigenschaften von kolloidalen Suspensionen, wie zum Beispiel die Lösungsstruktur und das Phasenverhalten, von makroskopischen Oberflächen beeinflusst werden. Die Struktur einer Suspension kann oft quantitativ beschrieben werden, wenn das Paar-Potenzial zwischen den Kolloiden bekannt ist. Es ist daher vernünftig anzunehmen, dass einer der Gründe für das abweichende Verhalten von Suspensionen in der Nähe von Grenzflächen die Wechselwirkung der Kolloide mit dieser Fläche ist. Aus diesen beiden Gründen war es Aufgabe dieser Arbeit solche Wechselwirkungen experimentell zu untersuchen. Die erhaltenen Erkenntnisse sollen als Eingabe für die Entwicklung theoretischer Modelle und Simulationsalgorithmen zur Berechnung der kolloidalen Eigenschaften in der Nähe einer Oberfläche dienen. Für diesen Zweck haben wir eine TIRM-Apparatur modifiziert, die es uns erlaubt, die Wechselwirkungen zwischen einem kolloidalem Teilchen und einer Wand zu messen. Wir haben das Signal/Rausch-Verhältnis dieser Apparatur deutlich verbessert und zeigen, dass sie jetzt zuverlässige Messdaten liefert. Zwei verschiedene wässrige Mischungen von Kolloiden und Polymeren wurden systematisch mit TIRM untersucht und wir zeigen, dass die erhaltenen Wechselwirkungspotenziale gut mit vorhandenen theoretischen Modellen beschrieben werden können. Anhand von den experimentellen Wechselwirkungspotenzialen möchten wir Informationen über das Phasenverhalten von Kolloiden an der Oberfläche bekommen und sie mit mikroskopischen Beobachtungen vergleichen. Wir haben diese Beobachtungen mit konfokaler Mikroskopie (engl.: Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM)) an Polystyrolteilchen in Lösungen von biologischen fd-Viren begonnen. Allerdings waren Untersuchungen im Bereich von hohen Kolloidkonzentrationen nicht möglich, weil die, wegen des großen Brechungsindexunterschieds zwischen Polystyrol und Wasser auftretende, Mehrfachstreuung eine zuverlässige Bildanalyse unmöglich machte. Deshalb synthetisierten wir ein neues kolloidales Modelsystem, nämlich Teilchen aus fluoriertem Butylmethacrylat mit einem fluoreszierenden Kern und einer nicht fluoreszierenden Schale. Diese Teilchen haben einen sehr geringen Brechungsindexunterschied zu Wasser und ermöglichen eine präzise Bildanalyse wegen ihrer Kern-Schale Morphologie. Sie sind deshalb für CLSM-Messungen in wässrigen Lösungen geeignet und können in Zukunft für die Untersuchungen ihres Phasenverhaltens an der Oberfläche und in Lösungen in Gegenwart von biologischen Materialien, wie zum Beispiel fd-Viren benutzt werden.

In this thesis we study interaction potentials between colloidal particles and a wall and between colloids in bulk using direct methods, such as Total Internal Reflection Microscopy (TIRM), and indirect techniques, such as Static Light Scattering (SLS). The work was motivated by the observation that the physical properties of colloidal suspensions, e.g. solution structure and phase behaviour, differ from the bulk behaviour in the ultimate vicinity of an interface. The structural properties of bulk suspensions can often be quantitatively described, knowing the pair interaction potential between the colloids. We show this for example in chapter 5 of this thesis for the case of associating colloids. It is reasonable to conjecture that the interaction of the colloidal particles with an interface is one of the reasons for the deviating behaviour of suspension as compared to the bulk. Therefore it was the task of this work to study this type of interaction potential experimentally, with the long time goal to provide input information for the treatment of near wall properties with theoretical techniques and/or computer simulation. The focus of this work is on polymer-induced interactions in colloidal systems. We have directly studied bridging attraction and steric repulsion due to attached polymer layers as well as depletion attraction due to non-adsorbing polymer chains. A detailed discussion of various other types of forces and interactions such as, van der Waals attraction, electrostatic interactions, structural forces, capillary forces, etc. is beyond the scope of this work and these forces will be mentioned here only briefly. On the basis of the experimentally obtained interaction potentials information about the colloidal near wall properties, i.e. surface phase behaviour can be obtained and compared with microscopic observations. To perform the microscopic observations in a wide range of colloidal concentrations and to avoid multiple scattering we needed particles which are easy to index-match with the solvent that was water in all our studies. Moreover, to enable a precise image analysis these colloids needed to have core-shell morphology with a fluorescent core and a non-fluorescent shell. Therefore, we introduced a new type of colloidal particles: fluorinated fluorescent latex with core-shell morphology which has a refractive index close to that of water. In the future these particles will be used to study the colloidal phase behaviour at the surface in solutions of biological depletants such as fd-viruses. This thesis begins with an introductory chapter (chapter 1) about polymer-induced forces which is intended to give the reader an overview of possible interactions in colloid-polymer mixtures. In this chapter we review some theoretical approaches and collect experimental data of polymer-induced forces, which were obtained using various techniques. Our main experimental technique, TIRM, is described in detail in chapter 2, where we also compare it with other techniques which enable direct measurements of interactions in colloidal systems. In chapters 3 and 4 we present directly measured interaction potentials between a colloidal sphere and a solid wall immersed in polymer solutions. Two different types of interactions were found depending on the nature of the polymer. Thus, in chapter 3 we show that dextran (a biopolymer) does not adsorb onto the glass and particles’ surfaces and this leads to an attractive depletion interaction. The polymer size polydispersity is shown to significantly influence the depletion potential. On the other hand, polyethylene oxide was found (chapter 4) to adsorb onto the surfaces of the colloidal sphere and the glass wall, leading to a steric repulsion between adsorbed polymer layers. In chapter 5 we present an indirect method to study interactions in colloidal systems. Thus, aqueous solutions of m-oxyethylene-n-ether (CnEm) non-ionic surfactants have been studied by static light scattering. We propose semi-phenomenological expressions for the pair interaction potential in aqueous CmEn-solutions, which enable the quantitative description of the scattering behaviour and the phase diagrams for five different surfactant systems. In chapter 6 we present a new model system to study the colloidal phase behaviour at the surface: fluorinated fluorescent latex spheres, which have a low refractive index and are highly charged and are therefore, almost transparent and very stable in water. These qualities make the particles very useful in studies with biological materials. Moreover, the morphology of these colloids, consisting of a fluorescent core and a non-fluorescent shell, makes them especially suited for studies using confocal microscopy. In future these particles will be used to directly determine many-body interaction potentials using confocal scanning microscopy.

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