Dokument: Diffusion in porous networks
| Titel: | Diffusion in porous networks | |||||||
| Weiterer Titel: | Diffusion in porösen Netzwerken | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=38953 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20160719-111153-0 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Dr. Wagner, Dana [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Egelhaaf, U. Stefan [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Gilch, Peter [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die Diffusion von Flüssigkeiten und Makromolekülen durch poröse Strukturen untersucht und beschrieben. In einer Vielzahl von Forschungsgebieten und Anwendungen von der Nahrungsmittelherstellung über kontrollierten Medikamententransport im menschlichen Körper oder Filtrationsprozesse bis hin zu Brennstoffzellen und Erdölgewinnung stehen Diffusionsprozesse durch poröse Medien im Vordergrund. Durch diese vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten wurde dieses Thema bereits in zahlreichen theoretischen und experimentellen Forschungsarbeiten behandelt. Trotzdem sind bisher viele Fragen bezüglich der zu Grunde liegenden Mechanismen unbeantwortet geblieben und besonders die Wechselwirkungen zwischen Flüussigkeiten und Makromolekülen, also dem Lösungsmittel und der gelösten Substanz, werden oftmals nicht explizit berücksichtigt.
Das Hauptziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer experimentellen Methode zur gleichzeitigen aber unabhängigen Untersuchung der Diffusion von Flüssigkeiten und Makromolekülen. Dies wurde mit Hilfe einer Kombination von drei einander ergänzenden bildgebenden Verfahren realisiert. Während Neutronenradiographie die Untersuchung von Flüssigkeitsbewegungen ermöglichte, wurde die Diffusion von fuoreszenzmarkierten Makromolekülen durch Fluoreszenzbildgebung visualisiert und analysiert. Zusätzlich wurde die gesamte Probe mittels optischer Bildgebung ähnlich der Hellfeldmikroskopie auf Änderungen in Größe oder Erscheinung untersucht. Die Funktionalität und Zuverlässigkeit der entwickelten Methode wurde zunächst dadurch gezeigt, dass die Ergebnisse einer umfangreichen Studie zu der Diffusion von fluoreszierenden Makromolekülen in Polymerhydrogelen mit denen von zwei gängigen experimentellen Methoden übereinstimmten und mit Brownian Dynamics Simulationen beschrieben werden konnten. In weiterführenden Experimenten wurde die Makromolekül-Diffusion in Polymerhydrogelen dann mit der Diffusion von Lösungsmitteln verglichen. Im Vergleich zur Flüssigkeitdiffusion konnte schon für kleine Farbstoffpartikel, welche gemeinhin als Tracer verwendet werden, ein ausgeprägter Unterschied festgestellt und gezeigt werden. Zusätzlich zu diesen Experimenten, bei denen die Diffusion in die Hydrogele hinein gemessen wurde, wurden auch der umgekehrte Fall, Diffusion aus den Hydrogelen in das umliegende Reservoir, untersucht. Dabei wurde ein qualitativ unterschiedliches Verhalten beobachtet, welches mit Hilfe von leicht unterschiedlichen theoretischen Modellen beschrieben werden konnte.In this Ph.D. thesis, the diffusion of macromolecules and liquids in and through porous media is described. This is relevant for a large variety of scientific areas and applications, ranging from food production, controlled drug delivery and filtration devices to fuel cells and enhanced oil recovery. Thus, diffusion in porous media has previously been the focus of numerous theoretical and experimental studies. However, the basic underlying mechanisms are still unclear, especially the interplay between solvent and solute motion, which is usually not considered. The major goal of this work was to develop an experimental technique that allows the simultaneous but independent investigation of solvent and solute diffusion. This has been achieved through a combination of three complementary imaging techniques. While solvent diffusion was studied with neutron radiography, the movement of fluorescently labeled macromolecules was followed using fluorescence imaging. Additionally, the overall sample size and appearance were simultaneously monitored with optical brightfield transmission imaging. In a first step, the reliability of the developed technique was successfully tested with an extensive investigation of fluorescent macromolecule diffusion through polymer hydrogels yielding results which were in good agreement with two well-established experimental techniques and Brownian dynamics simulations. The next step was a comprehensive comparison and distinction between solvent and solute diffusion into polymer hydrogels with different properties. The data were quantitatively interpreted based on different theoretical models. Even small molecules such as dyes, which are commonly used as tracer particles were shown to exhibit a significantly different diffusivity than the solvent. Compared to the influx measurements, a qualitatively different diffusion behavior was observed for the reverse process of macromolecule release from polymer hydrogels. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Physik der kondensierten Materie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 19.07.2016 | |||||||
| Dateien geändert am: | 19.07.2016 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 18.05.2016 | |||||||
| Datum der Promotion: | 04.07.2016 |
