[論文レビュー] Rotational averaging-out gravitational sedimentation of colloidal dispersions and phenomena

Djamel El Masri, Teun Vissers+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2011

Material Dynamics and Properties参考文献 82被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、自作の回転ステージを用いた回転平均化が、コロイド分散系における重力沈降を効果的に抑制することを示しており、重力に起因する層離層化の影響を受けることなく、固有の自己集合挙動を観察可能にしている。主な結果として、重力は相分離や非均一な構造化を引き起こす—例えば、 charged なコロイドでは順次的 Fluid/結晶相が現れ、逆に相反する電荷を持つ系では収縮したゲルが形成されるが、回転によって均一な結晶化と一様な構造が得られる。

ABSTRACT

We report on the differences between colloidal systems left to evolve in the earth's gravitational field and the same systems for which a slow continuous rotation averaged out the effects of particle sedimentation on a distance scale small compared to the particle size. Several systems of micron-sized colloidal particles were studied: a hard sphere fluid, colloids interacting via long-range electrostatic repulsions above the freezing volume fraction, an oppositely charged colloidal system close to either gelation and/or crystallization, colloids with a competing short-range depletion attraction and a long-range electrostatic repulsion, colloidal dipolar chains, and colloidal gold platelets under conditions where they formed stacks. Important differences in the structure formation were observed between the experiments where the particles were allowed to sediment and those where sedimentation was averaged out. For instance, in the case of colloids interacting via long-range electrostatic repulsions, an unusual sequence of dilute-Fluid/dilute-Crystal/dense-Fluid/dense-Crystal phases was observed throughout the suspension under the effect of gravity, related to the volume fraction dependence of the colloidal interactions, whereas the system stayed homogeneously crystallized with rotation. For the oppositely charged colloids, a gel-like structure was found to collapse under the influence of gravity with a few crystalline layers grown on top of the sediment, whereas when the colloidal sedimentation was averaged out, the gel completely transformed into crystallites that were oriented randomly throughout the sample. Rotational averaging out gravitational sedimentation is an effective and cheap way to estimate the importance of gravity for colloidal self-assembly processes.

研究の動機と目的

• 地上実験における重力沈降がコロイド系の自己集合にどのように歪められるかを調査すること。
• ゆっくりとした連続回転を用いて重力効果を平均化する、簡単で低コストな手法を開発・検証すること。
• 重力と回転の下で同一のコロイド系における構造的進化を比較し、重力の影響を明確に分離すること。
• 回転平均化が微小重力条件と同等の均一なコロイド構造を実現する有効性を評価すること。
• 外部場（例：MHz周波数の電場）を有する系へのこの手法の適用範囲を拡張すること。

提案手法

• キャピラリー試料に自作の回転ステージを用いてゆっくりとした連続回転を加え、時間的に重力沈降を平均化した。
• 沈降時間スケールが回転周期よりもはるかに長くなるように回転速度を選定し、粒子のネット変位を最小限に抑えた。
• 粒子の配置や相挙動を追跡するために、実空間光学顕微鏡および共焦点顕微鏡を用いて構造的進化をモニタリングした。
• 沈降と拡散の相対的重要性を定量化するために、ペクレ数（Pe = σ⁴Δρg / 12kBT）を用い、Pe ≪ 1 であれば重力効果は無視できると判断した。
• 同一期間、静止（重力あり）と回転（重力平均化）の両状態で同一試料を用いた比較実験を実施した。
• この手法をMHz周波数の電場を有する系へ拡張し、外部場駆動による自己集合と両立可能であることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力沈降は、電荷を有するコロイド分散系における相挙動および自己集合経路にどのように影響するか？
• RQ2 回転平均化は、コロイドゲルや結晶における沈降に起因する非均一性をどの程度抑制できるか？
• RQ3 回転平均化は、地上実験において微小重力条件と同等の構造的均一性を持つ試料を生成できるか？
• RQ4 重力は金ナノプレートのスタックや双極子鎖といった異方的構造の形成にどのように影響するか？
• RQ5 競合相互作用（例：脱水圧力と静電反発）を有する系において、回転平均化の限界は何か？

主な発見

• 電荷を有するコロイドで、凝固体積分率を超える条件下では、重力により体積分率依存性相互作用に起因する一時的で順次的な希釈流体／希釈結晶／濃縮流体／濃縮結晶相の遷移が観察されたが、回転条件下では均一な結晶化が得られた。
• 相反する電荷を有するコロイドでは、重力下でゲルが収縮し、沈降面に僅か数層の結晶しか形成されなかったが、回転により全ゲルがランダムに配向した結晶粒子に変化した。
• 金ナノプレート分散系では、回転により沈降に起因する柱状成長が防止された。72時間の回転実験後は短い柱しか形成されなかったが、水平保存24時間後には長い柱が形成された。
• 重力下では柱のサイズ分布が顕著に変化した：水平保存24時間後には長い柱が形成されたが、回転条件下では体積全体にわたり短い柱の分布が維持された。
• 重力長（lg = kBT/G）およびペクレ数（Pe ∝ σ⁴Δρg）から、ミクロンサイズの粒子で密度差が大きい系では沈降が支配的であり、特に Pe ≫ 1 の場合に顕著であることが確認された。
• 回転平均化は、硬球流体、双極子鎖、競合相互作用系を含む多様な系で有効であった。重力に起因するアーティファクトを抑制するという点で、広範な適用可能性を示した。