Dokument: Charged colloids and proteins: Structure, diffusion, and rheology.

Titel:	Charged colloids and proteins: Structure, diffusion, and rheology.
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=19882
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20111129-114443-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Heinen, Marco [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,13 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 15.11.2011 / geändert 15.11.2011
Beitragende:	Prof. Dr. Gerhard Nägele [Gutachter] Prof. Dr. Hartmut Löwen [Gutachter] Prof. Dr. Stark, Holger [Gutachter]
Stichwörter:	Geladene Kolloide Proteine Mikrostruktur Diffusion Rheologie Viskosität
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Die hier vorgestellte Arbeit befasst sich mit der theoretischen Beschreibung der Mikrostruktur, Diffusionseigenschaften, und rheologischen Eigenschaften geladener Brownscher Teilchen. Wir haben diverse analytisch-theoretische Methoden zur Berechnung statischer und dynamischer Größen entwickelt, getestet, und angewendet. Die Methoden zeichnen sich aus durch Genauigkeit, universelle Anwendbarkeit, und numerische Effizienz. Eine Vielzahl von Gleichgewichtsgrößen und Eigenschaften der Kurzzeit- und Langzeitdynamik sind im Rahmen dieser Arbeit berechnet worden. Die berechneten Größen umfassen den statischen Strukturfaktor, translative Diffusionskoeffizienten für kollektive Diffusion und Selbstdiffusion, die hydrodynamische Funktion, sowie die Hochfrequenzviskosität und die statische Scherviskosität. In enger Zusammenarbeit mit experimentellen Arbeitsgruppen in Jülich, Tübingen, Utrecht (Niederlande) und Košice (Slowakei) wurden Suspensionen von geladenen synthetischen Silicakugeln, leicht asphärischen Rinderalbumin Proteinen, und dünnen Gibbsit- Plättchen untersucht. (Dynamische) Licht- und Röntgenstreudaten, und Viskositätsdaten dieser drei Systeme wurden bis in die Nähe des Übergangs zwischen der flüßigen und festen oder flüßigkristallinen Phase mit hoher Genauigkeit analytisch berechnet. Hierdurch ist eine genaue Charakterisierung der suspendierten Partikel gelungen. In Zusammenarbeit mit Prof. Banchio (Uni. Córdoba, Argentinien) haben wir unsere analytischen Methoden zur Berechnung der Gleichgewichts-Paarkorrelationen und der Kurzzeitdynamik in umfassenden Parameterstudien anhand von Computersimulationen validiert. Als Grundlage unserer analytischen Verfahren dient ein Modell monodisperser geladener Kugeln in einer strukturlosen Flüssigkeit, die über ein abgeschirmtes Coulomb-Potential wechselwirken. Die Reichweite der elektrostatischen Abstoßung hängt vom Salzgehalt der Suspension ab, sodass bei niedriger Salzkonzentration bereits stark verdünnte Systeme ausgeprägte Paarkorrelationen aufweisen. Einen wichtigen Teil dieser Arbeit bildet eine neu entwickelte, analytische Integralgleichungsmethode, bezeichnet als „Modified Penetrating Background corrected Rescaled Mean Spherical Approximation“. Diese Methode erlaubt eine schnelle und genaue Berechnung statischer Paarkorrelationen. Die so berechneten Paarkorrelationsfunktionen dienen als Eingabegrößen für verschiedene analytische Methoden zur Berechnung der Diffusionseigenschaften und der Scherviskosität ladungsstabilisierter kolloidaler Suspensionen und Proteinlösungen. Eine besondere Herausforderung bei der Berechnung dynamischer Größen ist die notwendige Berücksichtigung der langreichweitigen und nichtsuperponierenden hydrodynamischen Wechselwirkungen. Hierzu haben wir Verbesserungen an der approximativen δγ Methode von Beenakker und Mazur zur Berechnung der hydrodynamischen Vielteilchen-Wechselwirkungen entwickelt. Durch die eingeführten Modifikationen erweitert sich die Anwendbarkeit der δγ Methode von ungeladenen auf ladungsstabilisierte Kolloide. Eine Alternative zur (modifizierten) δγ Methode bildet die Näherung der paarweise additiven hydrodynamischen Wechselwirkungen (PA Methode). Unter Verwendung präziser analytischer Lösungen des hydrodynamischen Zweikörper-Mobilitätsproblems sind die Ergebnisse der PA Methode exakt für verdünnte Systeme. Die PA Methode eignet sich daher besonders zur Anwendung auf Suspensionen niedriger Salzkonzentration, mit stark unterdrückter Annäherung der geladenen Teilchen und der damit einhergehenden hydrodynamischen Dreikörper-Wechselwirkungen. Zusammen mit den in dieser Arbeit diskutierten experimentellen Daten und Computersimulationen erlauben unsere theoretischen Methoden insbesondere Tests der Anwendbarkeit diverser generalisierter Stokes-Einstein (GSE) Relationen zwischen Diffusionsgrößen und Viskosität in konzentrierten Dispersionen. Die (näherungsweise) Gültigkeit einer GSE Relation ist nicht allein in theoretischer Hinsicht interessant. Vielfach ist man interessiert an Suspension deren Menge für mechanisch-rheologische Experimente nicht ausreicht, wie beispielsweise Lösungen aufwendig isolierter, biologisch relevanter Makromoleküle. Für solche Systeme erlaubt eine gültige GSE Relation die indirekte Bestimmung rheologischer Eigenschaften aus dynamischen Streuexperimenten. Unsere Tests zeigen jedoch, dass selbst diejenigen GSE Relationen, welche für neutrale Kolloide näherungsweise erfüllt sind, im Fall geladener Kolloide stark verletzt sind. This thesis comprises a theoretical description of the microstructure, diffusion and rheological properties of dispersions of charged Brownian particles. We have developed, and thoroughly tested, various analytical theoretical methods to calculate static and dynamic properties, and have applied them to various experimental systems. The common features of these analytic methods are their high levels of accuracy, versatility, and numeric efficiency. We have calculated a large variety of equilibrium and short-time dynamic properties and also some long-time properties, including static structure factors, translational collective and self-diffusion coefficients, hydrodynamic functions, and static and high-frequency shear viscosities. Suspensions of synthetic silica spheres, moderately aspheric bovine serum albumin proteins, and thin gibbsite platelets have been examined in collaboration with experimental groups in Jülich, Tübingen, Utrecht (Netherlands) and Košice (Slovakia). (Dynamic) Light- and X-ray scattering data, and shear viscosities for these systems have been calculated for concentrations up to the liquid-solid or liquid-liquid crystal phase transition point, allowing for a detailed characterization of the suspended particles. In comprehensive parameter studies, we have validated our analytic methods of calculating equilibrium pair-correlations and (short-time) dynamics against numerous computer simulation results. The computer simulations were conducted by Prof. Banchio (Uni. Córdoba, Argentina), in the course of an extended collaboration. A model of monodisperse, charged Brownian spheres, suspended in a structureless fluid, and interacting via a screened Coulomb potential, serves as the basis of our analytic schemes. The salt content of the suspension affects the range of electrostatic repulsion, which can cause pronounced pair correlations in low-salinity systems at very low colloid concentrations. An important advancement of this thesis is the development of a new analytic integral equation scheme, named Modified Penetrating Background corrected Rescaled Mean Spherical Approximation, which allows for fast and accurate calculation of static pair correlations. The pair correlation functions computed by this method serve as input for various analytic methods of calculating diffusion properties, and static and high-frequency shear viscosities of charge-stabilized suspensions. A severe complication in computing dynamic properties arises from the necessary inclusion of long-ranged, non-pairwise additive hydrodynamic interactions. To this end, we provide corrections for the approximate δγ scheme by Beenakker and Mazur, a method accounting for hydrodynamic many-body interactions in an approximate way. Our corrections extend the δγ scheme in its range of applicability from neutral to charge-stabilized colloidal suspensions. As an alternative to the (modified) δγ scheme, we have analyzed the approximation of pairwise additive hydrodynamic interactions (PA scheme). Employing precise analytic solutions of the hydrodynamic two-body mobility problem, the PA scheme gives results for short-time dynamic properties which are exact for hydrodynamically dilute systems. Hence, the PA scheme applies especially well to low-salinity suspensions of charged particles, where near-contact configurations and the accompanying hydrodynamic three-body interactions are strongly suppressed. To calculate the static viscosity and the long-time self-diffusion coefficient, we have used simplified mode-coupling theory expressions with the inclusion of far-field hydrodynamic contributions. In conjunction with the experimental and computer simulation data provided by our collaborators, our theoretical methods have allowed us to test the validity of various generalized Stokes-Einstein (GSE) relations between diffusion properties and the static and high-frequency viscosities in dense media. The (approximate) validity of a GSE relation is of interest not only from a theoretical point of view, but has also experimental applications. Colloidal suspensions containing laboriously isolated biomolecules for instance, are often only available in amounts that are too small for mechanical rheological experiments. In these cases, a valid GSE relation can be used to deduce rheological properties indirectly from dynamic scattering experiments. However, our numerous tests on suspensions of charged colloids have revealed manifest violations of all considered GSE relations, including the ones which are approximately valid for neutral colloid suspensions.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	29.11.2011
Dateien geändert am:	29.11.2011
Promotionsantrag am:	20.09.2011
Datum der Promotion:	09.11.2011