A small angle photon correlation imaging instrument for the study of thermoreversible gels

Colloidal systems became one of the most suitable tools for research on statistical physics, thanks to the rather easiness of tuning the inter-particle interactions, coupled to the fact that size of the colloidal particles is suitable to use light scattering techniques. Unfortunately, in many case, these materials display a complex behaviour, characterized by spatially and temporally heterogeneous dynamics, posing many challenges to the study of these materials. To that end, Dynamic Light Scattering (DLS) and Optical Microscopy (OM), two of the favourite optical methods for investigating soft materials, suffer from some drawbacks. DLS provides us with detailed information on the microscopic dynamics of particles and structures down to the nanoscale, but lacks spatial resolution. Per contra, OM methods allow us to resolve spatially heterogeneous structures, but the spatial scales they probe are bounded from below by the resolution limit and, from above, by the limited field of view of the microscope. To overcome these limitations, this thesis work concerns the development and calibration of a small angle Photon Correlation Imaging (PCI) instrument. PCI is an optical technique, that, combining the correlation methods of Dynamic Light Scattering (DLS) and the spatial resolution of an imaging technique, provides both temporally and spatially resolved analysis of the inspected systems. The key point of the PCI is the decoupling of the length scale over which the dynamics is probed from the size of the field of view. We pay particular attention in the design of a custom thermalizer for precise temperature control of the sample, allowing us to study thermo-sensitive material. After the calibration and testing of the setup, we investigate the settling and restructuring dynamics of colloidal gels generated by short-ranged interactions, whose strength can be tuned by changing the temperature of the sample. Our preliminary study shows that a survey of the kinetics of gel settling and restructuring highlights several distinctive features that allow us to relate three different settling scenarios with the strength of the inter-particles interactions.

I sistemi colloidali sono diventati uno degli strumenti più adatti per la ricerca sulla fisica statistica, grazie alla possibilità di regolare facilmente le loro interazioni e all'idoneità delle scale spaziali per le tecniche di scattering della luce. Purtroppo, in molti casi, questi materiali mostrano processi complessi, caratterizzati da dinamiche spazialmente e temporalmente eterogenee, rendendo il loro studio una ardua sfida. Perciò, lo Scatterind Dinamico di Luce (DLS) e la Microscopia Ottica (OM), due tra i metodi più usati per studiare la materia soffice, hanno qualche limite. Il DLS fornisce informazioni dettagliate sulla dinamica microscopica delle particelle e delle strutture fino alla nanoscala, ma manca di risoluzione spaziale. Al contrario, i metodi di OM permettono di risolvere strutture spazialmente eterogenee, ma le scale spaziali di indagine sono limitate dalla risoluzione e dal campo visivo del microscopio. Per superare queste limitazioni, questo lavoro di tesi riguarda lo sviluppo e la calibrazione di uno strumento di Photon Correlation Imaging a basso angolo. La PCI è una tecnica che opera nel Near Field, che, combinando i metodi di correlazione dello Scattering Dinamico di Luce (DLS) alla risoluzione spaziale di una tecnica di imaging, fornisce un'analisi dei sistemi osservati con risoluzione sia spaziale che temporale. Il punto chiave della PCI è il disaccoppiamento delle scale spaziali delle dinamiche osservate dalle dimensioni del campo visivo. Un aspetto importante è stata la progettazione di un termalizzatore per controllare la temperatura del campione, che ci ha permesso di studiare materiali termo-sensibili. Dopo i test e la calibrazione, abbiamo studiato la deposizione e la ristrutturazione di gel colloidali generati da interazioni a corto raggio, la cui forza può essere regolata variando la temperatura. Gli studi preliminari hanno mostrato che un indagine sulla cinetica di sedimentazione e ristrutturazione evidenzia caratteristiche peculiari che ci permettono di relazionare tre diversi scenari di deposizione con la forza delle interazioni tra le particelle.