[论文解读] 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 18

一句话总结

本研究证明，使用自制旋转台进行旋转平均可有效抑制胶体分散系中的重力沉降，从而实现对无重力诱导分层的本征自组装行为的观测。关键结果表明，重力会引起相分离和非均匀结构形成——如带电胶体中出现顺序的流体/晶体相，以及异号电荷体系中凝胶坍塌；而旋转则导致均匀结晶和结构均一化。

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.

研究动机与目标

• 研究重力沉降如何在地面实验中扭曲胶体系统的自组装行为。
• 开发并验证一种简单、低成本的方法，通过缓慢连续旋转来平均重力效应。
• 比较相同胶体系统在重力与旋转条件下的结构演化，以分离重力的影响。
• 评估旋转平均在实现与微重力条件相当的均质胶体结构方面的有效性。
• 将该方法扩展至存在外场的体系，如兆赫频段的电场。

提出的方法

• 使用自制旋转台对毛细管样品施加缓慢、连续的旋转，随时间平均重力沉降效应。
• 旋转速率的选择确保沉降时间尺度远长于旋转周期，从而最小化净粒子位移。
• 通过实空间光学显微镜和共聚焦显微镜监测结构演化，以追踪粒子排布和相行为。
• 使用佩克莱特数（Pe = σ⁴Δρg / 12kBT）量化沉降与扩散的相对重要性，Pe ≪ 1 表明重力效应可忽略。
• 开展对比实验，将相同样品在静止状态（重力开启）和旋转状态（重力平均）下保持相同时间。
• 将该方法扩展至存在兆赫频段电场的体系，证明其与外场驱动自组装的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 重力沉降如何改变带电胶体分散系中的相行为和自组装路径？
• RQ2 旋转平均在多大程度上抑制了胶体凝胶和晶体中由沉降引起的不均一性？
• RQ3 旋转平均能否在地面实验中产生与微重力条件相当的结构均质样品？
• RQ4 重力如何影响各向异性结构（如金片状堆叠和偶极链）的形成？
• RQ5 在存在竞争相互作用的体系中（如位阻吸引力与静电排斥力），旋转平均的局限性是什么？

主要发现

• 在带电胶体中，当体积分数高于凝固体积分数时，重力导致因体积分数依赖性相互作用而出现短暂的稀相流体/稀相晶体/浓相流体/浓相晶体的序列相变；而旋转则实现了均匀结晶。
• 对于异号电荷胶体，重力导致凝胶坍塌，仅在沉积层形成少数几层晶体；而旋转使整个凝胶转变为随机取向的晶粒。
• 在金片状分散系中，旋转防止了沉降诱导的柱状结构生长；在旋转台上持续72小时后，仅形成短柱；相比之下，水平储存24小时后则形成长柱。
• 在重力作用下，柱体尺寸分布显著演化：水平储存24小时后形成长柱；而旋转则在整个体积内维持短柱的分布。
• 重力长度（lg = kBT/G）和佩克莱特数（Pe ∝ σ⁴Δρg）证实，对于具有高密度失配的微米级粒子，沉降占主导地位，尤其当 Pe ≫ 1 时。
• 旋转平均在多种体系中均表现有效，包括硬球流体、偶极链以及竞争相互作用体系，证明其在抑制重力伪影方面具有广泛适用性。