Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

We perform a theoretical study of the three-phase contact line and the line tension in an adsorbed colloid-polymer mixture near a first-order wetting transition, employing an interface displacement model. We use a simple free-energy functional to describe a colloid-polymer mixture near a hard wall. The bulk phase behavior and the substrate-adsorbate interaction are modeled by the free-volume theory for ideal polymers. The large size of the colloidal particles and the suppression of the van der Waals interaction by optical matching of colloid and solvent justify the planar hard wall model for the substrate. Following the Fisher-Jin scheme, we derive from the free-energy functional an interface potential V(l) for these mixtures. For a particle diameter of 10-100 nm, the calculations indicate a line tension τ approximately 10**(-12) N – 10**(-13) N at room temperature. In view of the ultralow interfacial tension in colloid-polymer mixtures, γ approximately 10**(-7) N/m, this leads to a rather large characteristic length scale τ/γ in the micrometer range for the three-phase contact zone width. In contrast with molecular fluids, this zone could be studied directly with optical techniques such as confocal scanning laser microscopy. Colloïd-polymeer systemen zijn mengsels van colloïdale deeltjes en polymeren, opgelost in een oplossingsmiddel. Colloïden worden `deeltjes’ genoemd, die in tenminste één dimensie afmetingen hebben in het nano-micrometer gebied. Colloïden komen veel voor in het dagelijkse leven, meestal verspreid in een medium. Denk bijvoorbeeld aan de bloedplaatjes in het bloed, verfbolletjes in verf, … Verder zijn ze veelvuldig aanwezig in voedingsmiddelen, wasmiddelen en talrijke biologische processen. De studie van colloïd-polymeer systemen situeert zich in het domein van de zachte gecondenseerde materie. Zachte gecondenseerde materie komt overeen met substanties die ‘gemakkelijk vervormbaar’ zijn bij kamertemperatuur, zoals bijvoorbeeld vloeistoffen en gels. De verworven inzichten in de vorming van gas-, vloeistof-, gel- en andere fasen in deze relatief eenvoudige mengsels zijn van fundamenteel belang en kunnen gebruikt worden als uitgangspunt voor de fysica van meer complexe mengsels. In dit proefschrift bestuderen we de drie-fasen-contactlijn in colloïd-polymeer mengsels. Met de drie-fasen-contactlijn bedoelen we macroscopisch het gebied (de lijn) waar het grensvlak tussen de vloeistof- en de gasfase een ander vast oppervlak raakt. De additionele spanning die gepaard gaat met deze zone wordt de lijnspanning genoemd. Naast het fundamenteel belang van de lijnspanning als fysisch concept, speelt de lijnspanning een belangrijke rol in het fascinerende en steeds groeiende domein van de nanotechnologie. We bespreken nu enkele belangrijke eigenschappen van deze colloïd-polymeer mengsels. Een eerste belangrijke eigenschap is dat de polymeren een ‘effectieve aantrekking’ tussen de colloïden kunnen veroorzaken. Dit kan begrepen worden door de volgende redenering. Wanneer twee colloïden elkaar voldoende naderen, kunnen de polymeren zich niet meer in de ruimte tussen de twee colloïden bewegen. Daardoor ondervinden de colloïden een extra polymeerdruk van buitenaf en worden ze naar elkaar toe geduwd. Bij een gepaste keuze van het polymeertype kan er een ontmenging ontstaan in een colloïdrijke vloeistoffase (arm in polymeren) en in een colloïdarme gasfase (rijk in polymeren). Een tweede belangrijke eigenschap is dat deze mengsels ten opzichte van de moleculaire systemen andere lengteschalen bezitten. In vergelijking met een oppervlaktespanning van ongeveer 10-100 mN/m in moleculaire systemen, is de oppervlaktespanning in colloïd-polymeer mengsels ultralaag en bereikt ze een waarde van ongeveer 0.1 µN/m of lager, wat te wijten is aan de relatief grote afmetingen van de colloïden ten opzichte van de moleculen. De oppervlaktespanning kan gezien worden als een ‘gecreëerde spanning’ bij een vergroting van het oppervlak (zoals bij het uitrekken van een membraan). Omwille van de ultralage oppervlaktespanning in colloïd-polymeer mengsels wordt het grensvlak tussen de colloïdrijke vloeistoffase en de colloïdarme gasfase erg ‘ruw’, wat in beeld kan gebracht worden met optische technieken. In moleculaire vloeistoffen daarentegen, is het grensvlak tussen vloeistof en gas ‘vlak’ omwille van de relatief hoge oppervlaktespanning. Ons onderzoek behandelt hoofdzakelijk de theoretische vertaling van de colloïdale interacties en de andere lengteschalen naar bevochtigingsverschijnselen en de contactlijnstructuur in colloïd-polymeer mengsels. Met bevochtigingsverschijnselen bedoelen we de manier waarop de colloïden (en de polymeren) een substraat bevochtigen. In het algemeen kan men twee types van substraatbevochting onderscheiden. Een eerste type van bevochtiging houdt in dat er slechts vloeistofdruppels op het substraat gevormd worden. Deze vloeistofdruppels vormen een eindige contacthoek met het substraat. Bij een tweede type wordt het substraat volledig bevochtigd met een relatief dikke vloeistoffilm. De contacthoek streeft dan naar nul. We bestuderen de bevochtigingseigenschappen en de lijnspanning in colloïd-polymeer mengsels aan de hand van een fenomenologische theorie. We proberen het verschijnsel dus zo grondig en nauwkeurig mogelijk te beschrijven. Omwille van de grootte van de colloïden t.o.v. de substraatruwheid, kan het substraat als vlak beschouwd worden in experimentele mengsels. Verder interageren de colloïden essentieel als harde bollen met het substraat door een gepaste keuze van het oplossingsmiddel. Dit vereenvoudigt sterk de experimentele interacties en maakt een relatief eenvoudige theoretische beschrijving haalbaar. Onze berekeningen beperken zich tot het gebied van zeer kleine contacthoeken. De berekende lijnspanning in colloïd-polymeer mengsels neemt een waarde aan in het gebied 10**(-12) N - 10**(-14) N, wat niet zoveel kleiner is dan de lijnspanning in moleculaire vloeistoffen.