Dokument: The effect of surface modifications on the statics and dynamics of colloidal particles near a flat wall studied by scattering techniques based on evanescent wave illumination

Titel:	The effect of surface modifications on the statics and dynamics of colloidal particles near a flat wall studied by scattering techniques based on evanescent wave illumination
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=73140
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260526-130033-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Rivera Moran, Jose Alejandro [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 22,59 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 30.04.2026 / geändert 30.04.2026
Beitragende:	Prof. Dr. Lang, Peter R. [Gutachter] Prof. Dr. Dhont, Jan K. G. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	The study of colloidal particles near interfaces has been pursued for decades due to its relevance across industrial applications and the natural sciences. Physical descriptions of particles near rigid interfaces (referred as walls) reveal that the dominant interactions arise from hydrodynamic effects and static interaction energies. The current theories describing particles in the vicinity of walls often lies on the ideal assumption of perfectly smooth surfaces. Although classical hydrodynamic and colloidal interaction models provide a robust framework for describing particle motion near smooth, hard walls, real systems exhibit some degree of surface heterogeneity, which in some drastic cases might differ from these assumptions. In this thesis, the static and dynamic behavior of colloidal particles with surface characteristics different from the ideal particles are measured at interfaces through highly sensitive experimental techniques. In the first part of this contribution, the investigation of the near-wall dynamics of particles with different surface morphology is presented. By performing Evanescent Wave Dynamic Light Scattering experiments, the near-wall dynamics of silica particles having smooth and rough surface, as well as porous shells, were determined. The dynamics of smooth particles differ slightly from the prediction for hard spheres dynamics, whereas rough particles exhibit a significant slowdown compared to the model and opposite to the enhanced dynamics expected by hydrodynamic theory. Complementary numerical calculations for near-wall dynamics, accounting for polydispersity, aggregation and particle-wall static interactions, suggest that surface roughness of the particles modifies the particle-wall static interaction overcoming the hydrodynamic effects and impacting their diffusion. In the second part, the static and dynamic properties of particle-wall systems with modified surfaces that may affect their interactions with the wall are presented, which include walls with hydrophobic properties and protein-coated particles. Through experiments based on Total Internal Reflection Microscopy, the interaction potential profiles and dynamic properties are measured at the single-particle level. The potential profiles of bare systems compared to hydrophobically coated wall do not show a notable difference except for the electrostatic amplitude, while the dynamic properties are not significantly affected by the coating. However, for both types of systems, the diffusion perpendicular to the wall exhibit increased dynamics compared to no-slip boundary conditions due partial slip. On the other side, protein-coated particles display similar potential profiles and slight decrease in electrostatic amplitudes. Similarly, the normal diffusion shows some increase compared to dynamics with no-slip boundary conditions. Additionally, the influence of unavoidable experimental noise effects on experimental results for both static and dynamic properties is addressed. While background noise can be reduced to a negligible contribution, the detector shot noise affects the most to the measured interaction potentials, mostly in the steep parts of the profile. Also, such errors do not affect drastically the calculation of the dynamic properties. However, it is also identified that sampling time determines the quality of the measured properties, where too long sampling times compromise the reliability of both static and dynamic properties at short separation distances. Die Untersuchung von kolloidalen Partikeln in der Nähe von Grenzflächen wird aufgrund ihrer Relevanz für industrielle Anwendungen und die Naturwissenschaften seit Jahrzehnten betrieben. Physikalische Beschreibungen von Partikeln in der Nähe von starren Grenzflächen (als Wände bezeichnet) zeigen, dass die dominierenden Wechselwirkungen aus hydrodynamischen Effekten und statischen Wechselwirkungsenergien resultieren. Die gängigen Theorien, die Partikel in der Nähe von Wänden beschreiben, basieren meist auf der idealisierenden Annahme vollkommen glatter Oberflächen. Während klassische hydrodynamische und kolloidale Wechselwirkungsmodelle einen robusten Rahmen für die Beschreibung der Partikelbewegung in der Nähe glatter, harter Wände bieten, weisen reale Systeme ein gewisses Maß an Oberflächenheterogenität auf, die in einigen drastischen Fällen von diesen Annahmen abweichen kann. In dieser Dissertation Beitrag wird das statische und dynamische Verhalten von kolloidalen Partikeln mit Oberflächeneigenschaften, die sich von idealen Partikeln unterscheiden, an Grenzflächen mit hochsensiblen experimentellen Techniken untersucht. Im ersten Teil dieses Beitrags wird die Untersuchung der Wand-nahen Dynamik von Partikeln mit unterschiedlicher Oberflächenmorphologie dargestellt. Mittels dynamischer Lichtstreuung mit evaneszenter Beleuchtung wurde die Wand-nahe Dynamik von Silicapartikeln mit glatter und rauer Oberfläche sowie von porösen Silica-Kugelschallen bestimmt. Die Dynamik glatter Partikel weicht geringfügig von der Vorhersage für die Dynamik harter Kugeln ab, während raue Partikel im Vergleich zum Modell eine deutliche Verlangsamung aufweisen, was im Gegensatz zu hydrodynamischen Theorien steh nach der eine Zunahme der Dynamik erwartet wird. Ergänzende numerische Berechnungen für die Wand-nahe Dynamik, die Polydispersität, Aggregation und statische Wechselwirkungen zwischen Partikeln und Wänden berücksichtigen, deuten darauf hin, dass die Oberflächenrauhigkeit der Partikel die statische Wechselwirkung zwischen Partikeln und Wänden modifiziert, wodurch die hydrodynamischen Effekte überkompensiert werden und ihre Diffusion beeinflusst wird. Im zweiten Teil werden die statischen und dynamischen Eigenschaften von Partikel-Wand-Systemen mit modifizierten Oberflächen bestimmt, darunter Wände mit hydrophoben Eigenschaften und proteinbeschichtete Partikel. Mittels der Totalreflexionsmikroskopie werden die Wechselwirkungspotentialprofile und dynamischen Eigenschaften auf Einzelpartikelebene gemessen. Die Potentialprofile von unbeschichteten Systemen im Vergleich zu hydrophob beschichteten Wänden zeigen keinen nennenswerten Unterschied, außer in der elektrostatischen Amplitude. Die dynamischen Eigenschaften werden nicht wesentlich von der Beschichtung beeinflusst werden. Jedoch zeigt in beiden Fällen die Diffusion senkrecht zur Wand aufgrund teilweisen Schlupfs eine erhöhte Dynamik im Vergleich zu schlupffreien Randbedingungen. Auf der anderen Seite weisen proteinbeschichtete Partikel, im Vergleich zu unbeschichteten, ähnliche Potenzialprofile und eine leichte Abnahme der elektrostatischen Amplituden auf. In ähnlicher Weise zeigt die senkrechte Diffusion einen gewissen Anstieg im Vergleich zur Dynamik unter schlupffreien Randbedingungen. Zusätzlich wird der Einfluss unvermeidbarer experimenteller Rauscheffekte auf die Messung der statischen und dynamischen Eigenschaften behandelt. Während das Hintergrundrauschen auf einen vernachlässigbaren Beitrag reduziert werden kann, wirkt sich das sogenannte Detektor- Schrotrauschen am stärksten auf das gemessene Wechselwirkungspotential aus, vor allem in den steilen Teilen des Profils. Allerdings haben solche Fehler keinen drastischen Einfluss auf die Berechnung der dynamischen Eigenschaften. Es wird jedoch auch festgestellt, dass die Abtastzeit die Qualität der gemessenen Eigenschaften bestimmt, wobei zu lange Abtastzeiten die Zuverlässigkeit sowohl der statischen als auch der dynamischen Eigenschaften bei kurzen Abständen beeinträchtigen.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	26.05.2026
Dateien geändert am:	26.05.2026
Promotionsantrag am:	21.01.2026
Datum der Promotion:	09.04.2026