Dokument: Dynamics in colloid and protein systems: Hydrodynamically structured particles, and dispersions with competing attractive and repulsive interactions

Titel:	Dynamics in colloid and protein systems: Hydrodynamically structured particles, and dispersions with competing attractive and repulsive interactions
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=38536
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20160624-102240-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Riest, Jonas [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,64 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 03.06.2016 / geändert 03.06.2016
Beitragende:	Prof. Dr. Nägele, Gerhard [Gutachter] Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter]
Stichwörter:	Hydrodynamics, Proteins, Diffusion, Microgels Hydrodynamic interactions, integral equation theory
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	In this thesis, we develop and apply a toolbox of versatile theoretical methods of calculating structural, and short-time and long-time dynamic properties of three classes of industrially important dispersions. The first one are suspensions of hydrodynamically structured colloidal particles, and here most notably non-ionic microgels. The second class are dispersions of submicron sized charge-stabilized colloidal globules, and the third one are globular protein solutions with competing short-range attraction (SA) and long-range repulsion (LR). The results for the transport, structure, and thermodynamic properties of charge-stabilized colloids are used as input in our realistic macroscopic diffusion-advection modeling of the membrane cross-flow ultrafiltration of silica particles dispersions. The thesis bridges thus the gap from the theoretical exploration of intra-particle properties such as solvent permeability, particle softness, and surface charge, to the calculation of transport, structural, and thermodynamic properties of concentrated dispersions, and to the modeling of a technologically important filtration process. The accuracy of our toolbox methods is assessed by the comprehensive comparison with experimental measurements of, and simulation results for static and dynamic properties. The considered dynamic properties include short- and long-time self-diffusion and sedimentation coefficients, the wavenumber-dependent diffusion function determined routinely in dynamic scattering experiments, and the zero- and high-frequency shear viscosities. In particular, we provide various analytic transport coefficient expressions for rigid permeable particles that can be readily used for the analysis of dynamic scattering and rheology data. The toolbox methods for the calculation of transport properties of concentrated dispersions of globular colloidal particles with internal hydrodynamic structure are based on the hydrodynamic radius model (HRM) wherein the internal particle structure is mapped on an effective hydrodynamic radius for unchanged direct interactions. The good performance of the HRM is demonstrated by comparison with dynamic light scattering experiments on concentrated suspensions of solvent permeable non-ionic microgels. Furthermore, we quantify the effect of particle softness and permeability on the dynamics of ionic microgel suspensions, and we characterize the particle interactions and microstructure in polydisperse amphoteric microgel systems in the zwitterionic regime. In addition, we thoroughly investigate the influence of transient clustering on the statics and dynamics of globular particles dispersions with competing short-range attractive (SA) and long-range repulsive (LR) interactions. SALR systems such as low-salinity protein solutions have attracted considerable interest over the past years, due to the observation of a low-wavenumber peak of the static structure factor indicative of particle clustering. In this thesis, we present the first systematic theoretical study of the effect of clustering on short-time transport properties. Using our analytic toolbox methods, we systematically explore two classes of SALR models, in conjunction with computer simulations and experiments on Lysozyme protein solutions. Our results show that the low-wavenumber peak is present also in the hydrodynamic function characterizing the short-time dynamics, in good qualitative agreement with neutron spin echo measurements. The subtle interplay of SA and LR is highlighted by an unusual non-monotonic interaction strength dependence of the mean sedimentation velocity. Finally, we describe theoretically the membrane ultrafiltration (UF) process of low-salinity charge-stabilized particles dispersions. The importance of accurate thermodynamic and transport properties as salient inputs to the macroscopic modeling is demonstrated by the excellent agreement of our theoretical model predictions with UF measurements of the permeate flow for low-salinity silica suspensions. In der vorliegenden Dissertation befassen wir uns mit der Entwicklung und Anwendung einer vielseitig anwendbaren Sammlung von theoretischen Methoden ("Toolbox") zur Berechnung von Kurzzeit- und Langzeittransportkoeffizienten sowie struktureller Größen von drei Klassen industriell relevanter Dispersionen. Die erste Klasse sind Suspensionen kolloidaler Teilchen mit innerer hydrodynamischer Struktur und hier insbesondere nicht-ionische Mikrogele. Die zweite Klasse umfasst ladungsstabilisierte Dispersionen sphärischer kolloidaler Teilchen und die dritte Lösungen sphärischer Proteine mit vergleichbar starker kurzreichweitiger Attraktion und langreichweitiger Repulsion. Die mit unserer analytischen Toolbox gewonnenen Ergebnisse über das Transportverhalten, Mikrostruktur und thermodynamischen Eigenschaften dieser Systeme sind wichtiger Input für unsere realistische Modellierung der Querfluss-Ultrafiltration von wässrigen Suspensionen geladener Silicateilchen. Diese Modellierung basiert auf einer makroskopischen Diffusions-Advektions-Beschreibung von Teilchen und dispergierender Flüssigkeit. Die Dissertation schlägt somit eine Brücke von der grundlegenden theoretischen Beschreibung intrinsischer Teilcheneigenschaften, wie z.B. der Lösungsmittelpermeabilität, Oberflächenladung und Elastizität, zu der Berechnung von Transport-, Struktur- und thermodynamischen Größen konzentrierter Dispersionen von Teilchen und darüber hinaus zu der Modellierung eines technologisch wichtigen Filtrationsprozesses. Die Genauigkeit der verwendeten Toolbox-Methoden wird geklärt durch umfassende Vergleiche mit Simulationen und experimentellen Ergebnissen statischer und dynamischer Messgrößen. Die dynamischen Größen umfassen dabei Kurzzeit- und Langzeit-Selbstdiffusionskoeffizienten, Sedimentationsgeschwindigkeiten, routinemäßig in dynamischen Lichtstreuexperimenten bestimmten wellenzahlabhängigen Diffusionsfunktionen sowie Viskositäten unter Hochfrequenz- und Nullfrequenzbedingungen. Für Suspensionen harter permeabler Teilchen leiten wir analytische Ausdrücke für diverse Transportkoeffizienten her, welche für die Analyse dynamischer Lichtstreu- sowie rheologischer Messungen vorteilhaft genutzt werden können. Unsere Toolbox-Methoden zur Berechnung der Transporteigenschaften konzentrierter Dispersionen hydrodynamisch strukturierter Teilchen basieren auf dem hydrodynamischen Radius Modell (HRM). In diesem Modell wird die innere hydrodynamische Struktur eines Teilchens durch einen effektiven hydrodynamischen Radius beschrieben, wobei die direkten Wechselwirkungen unverändert bleiben. Wir demonstrieren die Leistungsfähigkeit des HRM durch den Vergleich unserer theoretischen Ergebnisse mit dynamischen Lichtstreumessungen an konzentrierten, nicht-ionischen und permeablen Mikrogel Suspensionen. Des Weiteren quantifizieren wir den Einfluss der Elastizität und Permeabilität ionischer Mikrogelteilchen auf die Systemdynamik. Für Suspensionen polydisperser amphoterischer Mikrogele im zwitterionischen Bereich berechnen wir aus den Teilchenwechselwirkungen die resultierende Mikrostruktur. Weiterhin analysieren wir für Dispersionen sphärischer Teilchen mit vergleichbarer kurzreichweitiger attraktiver (SA) und langreichweitiger repulsiver (LR) Wechselwirkung den Einfluss transienter Teilchencluster auf die statischen und dynamischen Eigenschaften des Systems. Vor allem die Struktur und das Phasenverhalten von SALR Systemen wurden in den vergangenen Jahren eingehend untersucht. Insbesondere findet man für diese Systeme einen Strukturfaktorpeak bei niedrigen Wellenzahlen, welcher als eine Signatur für die Existenz (transienter) Cluster interpretiert wird. Wir beschreiben in der vorliegenden Dissertation die erste systematische theoretische Analyse des Einflusses transienter Clusterbildung auf Kurzzeittransporteigenschaften. Unter Verwendung unserer analytischen Toolbox-Methoden und mittels des Vergleiches mit Computersimulationen und Experimenten untersuchen wir eingehend zwei Klassen von SALR Systemen. Wir zeigen in guter Übereinstimmung mit Neutronenspinecho Messungen, dass ein Peak bei niedrigen Wellenzahlen auch in der die Kurzzeitdiffusion charakterisierenden hydrodynamischen Funktion auftritt. Das subtile Wechselspiel von SA und LR manifestiert sich weiterhin in einer überraschend nicht-monotonen Abhängigkeit der mittleren Sedimentationsgeschwindigkeit von dem globalen Wechselwirkungsstärkeparameter. Abschließend diskutieren wir unsere theoretische Beschreibung des Membran-Ultrafiltrationsprozesses (UF) angewandt auf Suspensionen ladungsstabilisierter Teilchen mit niedrigem Salzgehalt. Durch den Vergleich unserer theoretischen Ergebnisse für den Permeatfluss mit entsprechenden UF Messungen an Silicateilchen Suspensionen zeigen wir, dass für eine quantitative makroskopische Modellierung präzise analytische Ausdrücke für thermodynamische- und Transportgrößen von großer Bedeutung sind.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	24.06.2016
Dateien geändert am:	24.06.2016
Promotionsantrag am:	22.02.2016
Datum der Promotion:	27.04.2016