Velocity fields in settling brownian suspensions : a novel sub-resolution optical correlation setup

Sedimentation is the process of separation of the solid phase from a liquid medium in a suspension due to gravity. Besides its countless applications and its importance in everyday life, it is also of great interest to geophysics and biology, to name a few. In the past years, colloidal sedimentation proved to be an excellent testing ground for fundamental theories in statistical mechanics, thanks to the possibility to tune the interactions between the particles accurately. The main objective of this thesis work is the experimental study of the settling dynamics in colloidal suspensions. So far, this subject has been investigated for suspensions of large particles, whose Brownian motion can be neglected. By taking advantage of recently established optical correlation techniques that combine the power of scattering and imaging, we have developed a novel setup that has allowed us to investigate for the first time the spatially-resolved settling velocity field in diluted suspensions of Brownian particles with a size much smaller than the optical resolution of our setup. The results obtained for the average settling speed are fully consistent with theoretical predictions. We also investigated velocity fluctuations about the average, evidenced by the presence of convective effects that slow down in time, but never attains a stationary velocity profile within the finite duration time of the batch settling processes enabled by our experimental setup. Besides, we highlighted a rather curious slow-relaxation dynamics that seems to depend both on the initial height of the suspension and on the size of the colloidal particles. Finally, we attempted to characterize a subtle instability recently observed in binary colloidal mixtures. Using aqueous suspensions of particles of different size and material (Polymethylmethacrylate, PMMA, and MFA, a high-density perfluorinated polymer), we have obtained several qualitative hints on the nature and time-development of the observed instability, although its physical origin is so far unexplained.

La sedimentazione è il processo di separazione della fase solida dal mezzo liquido in una sospensione, guidato dalla gravità. Oltre alle sue applicazioni nella vita di ogni giorno, esso ha forti ricadute in campi come la geofisica e la biologia. Negli anni passati, la sedimentazione dei colloidi è stata un eccellente banco di prova per teorie fondamentali della meccanica statistica, grazie alla possibilità di ``accordare'' accuratamente l'interazione tra particelle. Il principale scopo di questa tesi è stato lo studio sperimentale della dinamica di sedimentazione di sospensioni colloidali. Ad oggi, tale argomento è stato oggetto di investigazione per quanto riguarda sospensioni di particelle di grandi dimensioni, il cui moto Browniano può essere trascurato. Sfruttando recenti tecniche di correlazione ottica che combinano le potenzialità di scattering e imaging, abbiamo sviluppato un innovativo setup che ci ha permesso di determinare per la prima volta il campo di velocità risolto spazialmente in sospensioni diluite di particelle Browniane, di dimensioni molto minori della risoluzione ottica del setup. I risultati ottenuti sulla velocità media di sedimentazione sono in accordo con le predizioni teoriche. Abbiamo inoltre studiato le fluttuazioni di velocità intorno alla media, evidenziate dalla presenza di effetti convettivi che lentamente rallentano nel tempo, ma non raggiungono mai un profilo di velocità stazionario nei limiti di tempo del processo di sedimentazione permesso dal nostro setup sperimentale. Inoltre, abbiamo osservato una lenta dinamica di rilassamento che sembra dipendere sia dalla altezza iniziale della sospensione, sia dalla dimensione delle particelle colloidali. Infine, abbiamo tentato di caratterizzare un fenomeno di instabilità recentemente osservato in miscele colloidali binarie. Usando soluzioni acquose di particelle di diverse dimensioni e materiale (Polimetilmetacrilato, PMMA, e MFA, un polimero perfluorato ad alta densità), abbiamo ottenuto indizi qualitativi circa la natura e lo sviluppo temporale di questa instabilità, sebbene la sua origine fisica resti ancora senza spiegazione.