2D settling of colloidal particles at low Peclet numbers

The idea behind this thesis work, that was carried out in the Soft Matter laboratory inside the chemistry department (CMIC) at Politecnico di Milano, has been to study the settling and consequent crystallization of polystyrene (PS) colloidal particles at low Péclet numbers. Physically, this means that the dominant movement of the particles is not the anisotropic drift motion (in our case induced by gravity) but the isotropic and erratic Brownian one, induced by the fast-moving molecules of the dispersing solvent. Using a micrometric thin custom-made glass cell built by making a “sandwich” with two microscope cover-glasses, we could confine the colloidal particles in a single 2D layer, which means that, no particle can lie in the “shadow” casted by another one. Moreover, this experimental configuration allows us to easily observe and track the motion of the particles using a conventional optical microscope. The mechanism adopted in this work to “tune” the Péclet number characterizing the motion of the particles, is that of letting them settle on some precision inclinable benches, ideated and realized by me through the coupling of some optomechanical components and some custom-made 3D-printed plastic parts. Several unexpected phenomena and technical problems related to the originally adopted cell configuration greatly limited the reaching of the original goal of the work, but at the same time stimulated a great number of improvements to the cell configuration and its meticulous building process. To provide you with an example, a quantitative study of the mobility of the particles (obtained by measuring their diffusion coefficient) revealed that the corona treatment traditionally done to the cell promoted the adsorption of the colloidal particles on its bottom glass surface. Finally, the settling and crystallization of hard-sphere colloidal particles are topics not only of great interest for fundamental research but also for practical applications, such as the realization of colloidal crystals and in the development of models implemented in computer codes extensively used in the nuclear field.

L’idea alla base di questo lavoro di tesi, svolto presso il Soft Matter laboratory nel dipartimento di chimica (CMIC) del Politecnico di Milano, è stata quella di studiare la sedimentazione e conseguente cristallizzazione di particelle colloidali di polistirene (PS) a bassi numeri di Péclet. Dal punto di vista fisico, ciò significa che il moto dominante delle particelle non è il moto di deriva anisotropo (nel nostro caso indotto dalla gravità), ma il moto Browniano isotropo ed erratico, indotto dalle molecole in veloce movimento del solvente. Utilizzando una cella spessa pochi micrometri realizzata mediante un “sandwich” di due vetrini copri-oggetto da microscopio, possiamo confinare le particelle colloidali in un singolo strato 2D, il che implica che nessuna particella possa trovarsi “nell’ombra” di un’altra. Inoltre, questa configurazione sperimentale ci permette di osservare e tracciare facilmente il moto delle particelle tramite un comune microscopio ottico. Il meccanismo adottato per “regolare” il numero di Péclet delle particelle consiste nel lasciarle sedimentare su banchi inclinabili di precisione, ideati e realizzati da me mediante l’accoppiamento di componenti optomeccanici con parti plastiche stampate in 3D. Diversi fenomeni inaspettati e problemi tecnici legati alla configurazione iniziale della cella hanno limitato notevolmente il raggiungimento dell’obiettivo originario del lavoro, ma al tempo stesso hanno stimolato numerosi miglioramenti sia nella configurazione della cella che nel suo meticoloso processo di realizzazione. A titolo di esempio, uno studio quantitativo della mobilità delle particelle (ottenuta misurando il loro coefficiente di diffusione) ha rivelato che il trattamento al plasma tradizionalmente effettuato sulla cella favoriva l’adsorbimento delle particelle colloidali sulla superficie di vetro inferiore. Infine, la sedimentazione e la cristallizzazione di particelle colloidali rappresentano temi di grande interesse non solo per ricerca fondamentale, ma anche per quella applicata, ad esempio nella realizzazione di cristalli colloidali e nello sviluppo di modelli implementati in codici ampiamente utilizzati nel settore nucleare.