Dokument: Magnetic and Electrostatic Interactions of Colloids and Polyelectrolytes

Titel:	Magnetic and Electrostatic Interactions of Colloids and Polyelectrolytes
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3640
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20070221-134454-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Hoffmann, Norman [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 1,46 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Likos, Christos N. [Gutachter] Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter]
Stichwörter:	KOLLOIDE, POLYELECTROLYTE, SUPERPARAMAGNETISCH,POISSON-BOLTZMANN, DLVO, ZWEIDIMENSIONAL, MISCHUNG, INTEGRALGLEICHUNG, EULERCHARAKTERISTIK, MULTIVALENTCOLLOIDS, POLYELECTROLYTES, SUPERPARAMAGNETIC, POISSON-BOLTZMANN, DLVO, TWODIMENSIONAL, MIXTURES, INTEGRAL EQUATIONS, EULER CHARACTERISTIC, MULTIVALENT
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit magnetischen und elektrostatischen Wechselwirkungen auf dem Gebiet der Weichen Materie. Die Doktorarbeit beinhaltet im wesentlichen drei Hauptprojekte. Zuerst haben wir die Wechselwirkung von Mischungen aus superparamagnetischen Kolloiden unter dem Einfluß eines äußeren Magnetfeldes untersucht. Die Partikel können sich in einer zweidimensionalen Ebene frei bewegen und das Feld ist senkrecht zu dieser gerichtet. Die kleinen Teilchen formen Aggregate in den Zwischenräumen der großen Teilchen. Dies konnte durch einen zusätzlichen Peak im Strukturfaktor bei kleinen Wellenlängen beobachtet werden. Eine genauere Analyse mit Hilfe der Eulercharakteristik zeigt, daß die kleinen Teilchen ein schwammartiges Muster bilden. Ein quantitativer Vergleich mit experimentellen Daten zeigt hervorragende Übereinstimmung mit unseren theoretischen Resultaten. Weiterhin haben wir das einkomponentige System bei geneigtem Magnetfeld untersucht. Die beobachtete Struktur ist in diesem Falle inhomogen, und die Teilchen bevorzugen eine Ausrichtung in Richtung der Projektion des Magnetfeldes auf die Ebene. In dem zweiten Projekt haben wir das elektrostatische Potential von Proteinen berechnet, welche wir als sphärische Objekte mit einer nicht-sphärischen Ladungsverteilung modelliert haben. Wir konnten analytische Ausdrücke für das abgeschirmte Potential eines sphärischen Kolloids mit asymmetrischer Ladungsverteilung angeben. Die Lösung basiert auf einer Entwicklung des Potentials in sphärische Besselfunktionen der dritten Art. Tetraedrische und zufällige Ladungsverteilungen dienen als direkte Anwendung unserer theoretisch abgeleiteten Ergebnisse. Zuletzt haben wir Polyelektrolytketten untersucht, welche mit einem Ende an einer Wand befestigt sind. Die Gegenionen sind ausschließlich multivalent. Unsere Theorie basiert auf der Minimierung der Freien Energie des Systems, welche aus polymerischen, elektrostatischen und entropischen Beiträgen besteht. Wir beobachten ein Schrumpfen der Kettenlänge mit wachsender anziehender Wechselwirkung der Monomere. Dies resultiert in einem Kollaps der Ketten, welcher an einen Phasenübergang erster Ordnung erinnert. This thesis regards electrostatic and magnetic interactions in soft matter. There are three different parts. First, we examine a strongly interacting binary mixture of superparamagnetic colloidal particles confined to a two-dimensional water-air interface. We employ liquid integral equation theory and computer simulation to investigate this system. This mixture exhibits, at equilibrium, a partial clustering. In the voids of a matrix of unclustered big particles, small particles form subclusters that are topologically sponge-like accompanied by a characteristic small-wave vector peak in the small-small structure factor. We investigate this pattern formation using tools from integral geometry, namely the Euler characteristic. The clustering behavior is ultimately a non-additive property of the system, stemming from the cross-interaction that is less repulsive than the direct interactions. We confirm these theoretical findings by confronting them to direct experimental data. Furthermore, we study the simpler one-component system of superparamagnetic particles in a tilted magnetic field. The particles align with the in-plane component of the magnetic field. The local ordering of the particles becomes more inhomogeneous with increasing tilt angle. Second, by simplifying proteins as spherical particles with non-spherical charge patterns, we calculated their associated electrostatic potential. We derive analytical expressions for the screened electrostatic potential caused by a charged spherical colloid that contains point charges distributed in an arbitrary manner in its interior. We consider two cases: that of uniform and discontinuous dielectric media. The solution is based on an expansion of the electrostatic potentials on the various regions of space in spherical harmonics involving spherical Bessel functions of the third kind. Tetrahedral charge arrangements as well as a random charge distribution inside the confining sphere are considered explicitly as representative examples. Last, we investigate polyelectrolyte chains end-grafted to a planar surface in the presence of multivalent counterions. Our theory is based on a variational free energy that is written as a sum of electrostatic, polymer, and entropic contributions. We minimize the free energy with respect to the chain length and the number of counterions in order to obtain the ground state. We observe a shrinking of the chain length with increasing electrostatic attraction of the monomeric units finally resulting into a collapsed state reminiscent of a first-order phase transition.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	31.01.2007
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	26.01.2007
Datum der Promotion:	26.01.2007