[논문 리뷰] Rotational averaging-out gravitational sedimentation of colloidal dispersions and phenomena

Djamel El Masri, Teun Vissers외 8명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 18.

Material Dynamics and PropertiesMaterials Science참고 문헌 82인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 수동으로 제작한 회전 스테이지와 함께 회전 평균화를 사용하여 콜로이드 분산계에서 중력 침강을 효과적으로 억제함으로써 중력에 의한 분층화 없이 본질적인 자가 조립 거동을 관찰할 수 있음을 보여준다. 주요 결과로는 중력에 의해 상분리 및 비균일한 구조가 유도되며, 이는 음전하 콜로이드에서 순차적인 액체/결정 상의 형성과 반대전하 시스템에서 붕괴된 젤의 형성과 관련이 있다. 반면, 회전 조건에서는 균일한 결정화와 균일한 구조가 관찰된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지상 실험에서 중력에 의한 침강이 콜로이드 시스템의 자가 조립에 어떻게 왜곡되는지 조사하기 위해.
• 천천인 연속 회전을 사용하여 중력 효과를 평균화하는 단순하고 저비용의 방법을 개발하고 검증하기 위해.
• 중력과 회전 조건에서 동일한 콜로이드 시스템의 구조적 진화를 비교하여 중력의 영향을 분리하기 위해.
• 회전 평균화가 마이크로중력 조건과 유사한 균일한 콜로이드 구조를 달성하는 데 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.
• 외부 필드가 작용하는 시스템, 예를 들어 MHz 주파수의 전기장에 대한 방법의 적용 범위를 확장하기 위해.

제안 방법

• 천천인 연속 회전을 적용하기 위해 수동으로 제작한 회전 스테이지를 사용하여 캡일러리 샘플을 처리하여 시간이 지남에 따라 중력에 의한 침강 효과를 평균화시켰다.
• 침강 시간 상수보다 회전 주기가 훨씬 짧아지도록 회전 속도를 선택하여 순수한 입자 이동을 최소화하였다.
• 입자 배열과 상 행동을 추적하기 위해 실공간 광학 및 공초점 현미경을 사용하여 구조적 진화를 모니터링하였다.
• 침강과 확산의 상대적 중요도를 정량화하기 위해 페클레 수(Péclet number, Pe = σ⁴Δρg / 12kBT)를 사용하였으며, Pe ≪ 1은 중력 영향이 무시할 만큼 작음을 의미한다.
• 동일한 기간 동안 정지 상태(중력 작용)와 회전 상태(중력 평균화)로 유지된 동일한 샘플을 사용하여 비교 실험을 실시하였다.
• 이 방법은 MHz 주파수의 전기장이 작용하는 시스템으로 확장되었으며, 외부 필드에 의한 조립과의 호환성을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력에 의한 침강이 음전하 콜로이드 분산계의 상 행동 및 자가 조립 경로에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 회전 평균화가 콜로이드 젤과 결정에서 침강에 기인한 비균일성의 정도를 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ3 회전 평균화가 지상 실험에서 마이크로중력 조건과 유사한 균일한 구조를 갖는 샘플을 생성할 수 있는가?
• RQ4 중력은 금 나노판의 스택 및 이량체 사슬과 같은 이방성 구조의 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 경쟁 상호작용(예: 탈수 힘과 전기적 반발력)이 존재하는 시스템에서 회전 평균화의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 고체 전하를 띤 콜로이드에서 고체 전환 부피분율 이상에서는 입자 상호작용이 부피분율에 따라 달라지며, 중력에 의해 일시적인 순차적 액체/결정 상의 순서가 발생한다. 반면, 회전 조건에서는 균일한 결정화가 관찰되었다.
• 반대전하를 띤 콜로이드의 경우 중력에 의해 젤이 붕괴되어 침전면에 몇 겹의 결정층만 형성되었지만, 회전 조건에서는 전체 젤이 무작위로 배열된 결정립으로 변환되었다.
• 금 나노판 분산계에서는 회전이 침강에 기인한 기둥 형성 방지에 효과적이었으며, 72시간 동안 회전 스테이지에 놓인 후에는 짧은 기둥만 형성되었고, 수평 저장 조건에서 24시간 후에는 긴 기둥이 형성되었다.
• 기둥 크기 분포는 중력 조건에서 크게 변화하였다: 수평 저장 24시간 후 긴 기둥이 형성되었고, 반면 회전 조건에서는 전체 부피에서 짧은 기둥의 분포를 유지하였다.
• 중력 길이(lg = kBT/G)와 페클레 수(Pe ∝ σ⁴Δρg)는 밀도 불일치가 높은 마이크론 크기의 입자에서 침강이 지배적임을 확인하였으며, 특히 Pe ≫ 1일 경우 더욱 뚜렷하였다.
• 회전 평균화는 경량 입자 유체, 이량체 사슬, 경쟁 상호작용 시스템을 포함한 다양한 시스템에서 효과적이었으며, 중력에 기인한 오류를 억제하는 데 넓은 적용 가능성을 보였다.