Dynamics of concentrated colloidal suspensions

Τα κολλοειδή διαλύματα διαδραματίζουν ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο στην καθημερινότητά μας, αφού τα συναντάμε σε μια πληθώρα φυσικών, βιολογικών και βιομηχανικών προϊόντων, όπως αφροί, γέλες, γαλακτώματα, πάστες, λιπαντικά υλικά, χρώματα, φαρμακευτικά προϊόντα κ.α.. Σε πολλές εφαρμογές, τα κολλοειδή διαλύματα υποβάλλονται σε διάτμηση, η οποία επηρεάζει σημαντικά την μικροδομή και τις μηχανικές ιδιότητες του τελικού προϊόντος. Συνεπώς, για τον καλύτερο δυνατό χειρισμό τέτοιων υλικών, απαιτείται η ουσιώδης κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ δομής, δυναμικής και ρεολογικής συμπεριφοράς των κολλοειδών τόσο σε κατάσταση ηρεμίας όσο υπό διάτμηση.Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη της δομής και της δυναμικής τριών κατηγοριών κολλοειδών συστημάτων διαφορετικής αρχιτεκτονικής, μέσω της χρήσης διάφορων τεχνικών όπως σκέδαση φωτός, ρεολογίας και μικροσκοπίας. Αρχικά μελετήσαμε τη δομή και τις υδροδυναμικές ιδιότητες υδατικών κολλοειδών διαλυμάτων που περιέχουν ελλειψοειδή σωματίδια διαφόρων λόγων διαστάσεων, χρησιμοποιώντας Πολωτική (DLS) και Αποπολωτική (DDLS) Σκέδαση Φωτός. Τα εν λόγω κολλοειδή διαλύματα μελετήθηκαν σε απουσία και παρουσία μονοσθενούς άλατος. Εν συνεχεία, μελετήθηκε η δομή και η δυναμική κολλοειδών διαλυμάτων χαλαρών ισότροπων σωματιδίων τύπου πυρήνα-κορώνας στην περιοχή που βρίσκονται στην υγρή μορφή καθώς και στην υαλώδη κατάσταση. Τα εν λόγω κολλοειδή αποτελούνται από πολυμερικές αλυσίδες διαφόρων μοριακών βαρών που είναι συνδεδεμένες μέσω χημικών δεσμών στην επιφάνεια του πυρήνα. Στη περιοχή που τα σωματίδια βρίσκονται στην υγρή τους μορφή, χρησιμοποιήσαμε την τεχνική 3DDLS προκειμένου να εξαλείψουμε την επίδραση του φαινομένου της πολλαπλής σκέδασης, η οποία οφείλεται στη μεγάλη διαφορά δείκτη διάθλασης μεταξύ σωματιδίων και διαλύτη. Στην υαλώδη περιοχή, χρησιμοποιήσαμε την τεχνική Multi-Speckle Dynamic Light Scattering έτσι ώστε να μελετήσουμε την «παγωμένη» δυναμική των κολλοειδών. Για το σκοπό αυτό ακολουθήσαμε την εξέλιξη του πιο αργού χρόνου χαλάρωσης της συνάρτησης αυτοσυσχέτισης. Αναλόγως του κλάσματος όγκου και της πολυδιασποράς των διαλυμάτων, παρατηρήθηκαν δομικές αλλαγές οι οποίες οδήγησαν ή όχι σε μετάβαση από την υαλώδη στην κρυσταλλική περιοχή. Τέλος, μελετήσαμε θερμο-αποκρινόμενα κολλοειδή συστήματα που αποτελούνται από χαλαρά σωματίδια τύπου πυρήνα-κορώνας, όπου δίκτυο πολυμερικών αλυσίδων (υδρογέλη) είναι προσδεμένο χημικά σε ένα πυρήνα. Ο θερμο-αποκρινόμενος χαρακτήρας της κορώνας επιτρέπει την σταδιακή αλλαγή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματιδίων από απωστικές ηλεκτροστατικές σε ελκτικές Van der Waals, μόνο με την εναλλαγή της θερμοκρασίας κάτω ή πάνω από την Χαμηλότερη Κρίσιμη Θερμοκρασία Διαλύματος (LCST). Κατά τον τρόπο αυτό, μελετάται η επίδραση της μεταβολής των αλληλεπιδράσεων στη δομή και τη δυναμική τόσο σε αραιά όσο και σε πυκνά διαλύματα. Στα πυκνά διαλύματα, η μεταβολή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των κολλοειδών οδηγεί στην μετάβαση από υαλώδη φάση σε ρευστή (και οι δύο φάσεις χαρακτηρίζονται από απωστικές αλληλεπιδράσεις) και σε κολλοειδείς γέλες (η φάση αυτή χαρακτηρίζεται από ελκτικές αλληλεπιδράσεις). Επιπρόσθετα, μελετήσαμε την περίπτωση προσθήκης υψηλής ποσότητας μονοσθενούς άλατος, ώστε να επιτύχουμε την αποτελεσματική ακύρωση των ηλεκτροστατικών απωστικών αλληλεπιδράσεων, η οποία έχει ως επακόλουθο την εμφάνιση ενδιαφερόντων φαινομένων συσσωμάτωσης των σωματιδίων. Για την πραγματοποίηση των εν λόγω μελετών χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές σκέδασης, καθώς και ιξωδομετρία, μικροσκοπία και γραμμική και μη-γραμμική ρεολογία, τόσο σε κατάσταση ηρεμίας, όσο και υπό διάτμηση.