Faculté des sciences

Time-resolved investigation of aggregation and sol-gel transition in colloidal suspensions

Vavrin, Ronny ; Schurtenberger, Peter (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2005 ; Nr. 1497.

In this work we present a study of the aggregation and sol-gel transition of colloidal suspensions using a wide range of experimental techniques, where some of them were modified or developed especially for this purpose. Covering all relevant time and length scales, we investigate in the first part of this work a model system which undergoes a sol-gel transition in the hope to gain further... More

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    Zusammenfassung
    Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Aggregation und dem Sol-Gel-Übergang in kolloidalen Suspensionen und der Entwicklung neuer Methoden, die es erlauben, diese Systeme auf allen relevanten Zeit- und Längenskalen zu charakterisieren. In einem ersten Teil der Arbeit wird eine kolloidale Suspension als Modellsystem eingesetzt, um grundsätzliche Erkenntnisse über den Sol-Gel-Übergang zu gewinnen. Dabei wird eine Suspension von Nanopartikeln (Polystyrenkügelchen) in Wasser destabilisiert, bis sich die Teilchen miteinander zu fraktalen Aggregaten verbinden, welche sich wiederum zusammenschliessen bis ein raumfüllendes Netzwerk an Teilchen - also ein Gel - entsteht. Anhand von Versuchen mit kombinierter Licht- und Neutronenstreuung, welche zeitaufgelöst und simultan die Dynamik und die Struktur von derselben Probe im Grössenbereich von wenigen Angstrom bis einigen hundert Nanometern zu messen vermögen, werden bereits postulierte Theorien getestet und nach Übereinstimmung mit neuesten Ergebnissen und Ideen anderer Forschungsgruppen gesucht. Dabei weist die Kinetik unseres gemessenen Gelationprozesses Abweichungen von den klassischen Theorien auf, indem sich zwischen der Phase des Wachstums der Aggregate und der Bildung des Netzwerks eine Übergangsphase manifestiert, welche wir als glasartigen Zustand interpretieren. Hierzu wird noch eine weitere Messung mit einer neuartigen Methode durchgeführt, welche es erlaubt, innert kürzester Zeit Informationen über extrem langsame dynamische Prozesse zu gewinnen. Auch dieser Versuch stützt unsere Annahme, eine glasartige Phase innerhalb des Gelationsprozesse vorzufinden. In einem zweiten Teil wird ein experimenteller Aufbau beschrieben, der eine in den letzten 10 Jahren eingeführte Lichtstreumethode weiter entwickelt und dadurch erlaubt, Messungen schneller und genauer durchzuführen. Dabei werden statt wie sonst üblich bei nur einem Streuwinkel gleichzeitig an vier verschiedenen Winkeln die Probensignale erfasst und ausgewertet. Dies verschnellert nicht nur die Messdauer einer winkelabhängigen (statischen) Analyse um den Faktor vier, sondern erlaubt auch eine genauere Messung der Dynamik indem man die gleichzeitig gewonnenen dynamischen Daten auch winkelabhängig analysiert. Da es sich bei der gewählten Lichtstreumethode um eine Technik handelt, welche vielfach gestreutes Licht zu unterdrücken vermag, hat dieser Aufbau auch den grossen Vorteil, Proben bis zu einer gewissen Trübheit mit den erfolgreichen Methoden der Einzelstreuung charakterisieren zu können. Ein wichtiger Bestandteil der Gesamtarbeit ist die Entwicklung und Realisierung dieses Aufbaus, der für zusätzliche präzise Messung des Sol-Gel-Übergangs in einem schwer zugänglichen (erfassbaren) Messbereich prädestiniert ist.
    Summary
    In this work we present a study of the aggregation and sol-gel transition of colloidal suspensions using a wide range of experimental techniques, where some of them were modified or developed especially for this purpose. Covering all relevant time and length scales, we investigate in the first part of this work a model system which undergoes a sol-gel transition in the hope to gain further insight into the fundamental process of gelation. Therefore, a colloidal suspension of nano particles (polystyrene spheres) in water is destabilised to induce aggregation of fractal clusters. The clusters will grow until they finally all connect and form a volume filling network, i.e. a gel. Combining neutron and light scattering, we are able to measure simultaneously and time resolved the static and dynamic properties of the same sample in the length scale of a few Angstroms to several hundred nanometers, which allows us to test well-known theories and to compare our data with recent results of other research groups. Our measurements demonstrate a deviation from classical theories in the critical behavior just before the volume spanning network is formed, which we interpret with the observation of a glassy cluster phase. In order to investigate this effect, a novel technique is used to gain access to very slow dynamic processes, revealing data which seems to proof our hypothesis of a glassy phase in the gelation process. The second part of this work describes an experimental setup which is based on a light scattering technique introduced in the last ten years and which allows us to measure faster and with higher precision. By measuring simultaneously at four different angles instead of only one, a factor of four in acquisition time is gained in comparison to traditional setups. Moreover, dynamic measurements can be analysed angle dependent and therefore improved in precision. As the chosen technique is based on a multiple scattering suppression scheme, even relatively turbid samples can be analysed using the well established single scattering theory. Therefore the developed setup is an ideal tool to investigate the sol-gel transition under conditions hardly accessible otherwise.