Colloidal suspensions are made of mesoscopic particles dispersed in a fluid phase. If a surfactant is added, attractive interactions, called depletion forces, are induced, which may lead to the formation of aggregate networks. These structures have very weak bound energy, so they are strongly subjected to gravity settling because of their own weight. In my Master Thesis, I have studied sedimentation of several samples, with different concentration of colloidal particles (MFA) and surfactant (Triton TX100). By looking at images in transmitted light, we can first of all monitor the position in time of the boundary surface between supernatant and suspension. Using the same apparatus and innovative optical techniques (DDM and TRC), the internal dynamic of the samples can be studied. This technique allows to evaluate local displacements by studying the space and time correlation of the intensity difference between images taken at different time lag, using either a laser or even a simple white light source, provided it is sufficiently spatially coherent. As a support, we also used other optical methods, such as polarimetry, which allow to detect the stress pattern generated by gravity, and depolarized light scattering to obtain particle concentration profiles. With these measurements, we found that colloidal gels induced by depletion forces belong, with respect to the effects of gravitational stress, to two distinct classes: after an initial quiescent period, some gels rapidly and dramatically collapse, inducing strong convective motions in the structure, whereas other just compress slowly, with a linear settling regime. In specific conditions, however, the aggregation induced by depletion forces may lead to the formation of small colloidal crystals, which rapidly settle to the cell bottom. The relation of these different behavior with the phase diagram of the colloidal suspension is also investigated.
Le sospensioni colloidali sono costituite da particelle mesoscopiche disperse in una fase fluida. Se viene aggiunto un tensioattivo, vengono indotte delle interazioni attrattive, note come forze di svuotamento, che possono portare alla formazione di strutture aggregate. Tali strutture hanno energie di legame molto deboli, quindi sono fortemente soggetti alla gravità, sedimentando a causa del proprio peso. Durante il mio periodo di tesi, ho studiato la sedimentazione di numerosi campioni, con differenti concentrazioni di particelle colloidali (MFA) e tensioattivo (Triton TX100). Osservando le immagini ottenute con luce in trasmessa, possiamo per prima cosa seguire nel tempo la posizione dell'interfaccia tra surnatante e sospensione. Usando lo stesso apparato e innovative tecniche ottiche (DDM e TRC), può essere studiata la dinamica interna del campione. Tali tecniche permettono di stimare lo spostamento locale attraverso la correlazione, spaziale e temporale, della differenza di intensità tra immagini prese a differenti ritardi, usando o un laser o una semplice sorgente di luce bianca, purché abbia una sufficiente coerenza spaziale. Come supporto, possiamo anche usare altri metodi ottici, come la polarimetria, che permette di individuare il campo di stress generato dalla gravità, e lo scattering di luce depolarizzata, per ottenere il profilo della concentrazione di particelle. Con queste misure, abbiamo trovato che i gel colloidali indotti dalle forze di svuotamento appartengono, dal punto di vista degli effetti dello stress gravitazionale, a due classi distinte: dopo un periodo di latenza iniziale, alcuni gel collassano rapidamente, inducendo forti moti convettivi nella struttura, mentre altri si comprimono lentamente, con una discesa lineare. In condizioni specifiche, tuttavia, l'aggregazione indotta dalle forze di svuotamento può portare alla formazione di piccoli cristalli colloidali, che sedimentano rapidamente sul fondo della cella. Il legame di questi diversi comportamenti con il diagramma di fase delle sospensioni colloidali è stato quindi investigato.
Formazione, ristrutturazione ed aging di gel colloidali in presenza di gravità
BONIELLO, GIUSEPPE
2010/2011
Abstract
Colloidal suspensions are made of mesoscopic particles dispersed in a fluid phase. If a surfactant is added, attractive interactions, called depletion forces, are induced, which may lead to the formation of aggregate networks. These structures have very weak bound energy, so they are strongly subjected to gravity settling because of their own weight. In my Master Thesis, I have studied sedimentation of several samples, with different concentration of colloidal particles (MFA) and surfactant (Triton TX100). By looking at images in transmitted light, we can first of all monitor the position in time of the boundary surface between supernatant and suspension. Using the same apparatus and innovative optical techniques (DDM and TRC), the internal dynamic of the samples can be studied. This technique allows to evaluate local displacements by studying the space and time correlation of the intensity difference between images taken at different time lag, using either a laser or even a simple white light source, provided it is sufficiently spatially coherent. As a support, we also used other optical methods, such as polarimetry, which allow to detect the stress pattern generated by gravity, and depolarized light scattering to obtain particle concentration profiles. With these measurements, we found that colloidal gels induced by depletion forces belong, with respect to the effects of gravitational stress, to two distinct classes: after an initial quiescent period, some gels rapidly and dramatically collapse, inducing strong convective motions in the structure, whereas other just compress slowly, with a linear settling regime. In specific conditions, however, the aggregation induced by depletion forces may lead to the formation of small colloidal crystals, which rapidly settle to the cell bottom. The relation of these different behavior with the phase diagram of the colloidal suspension is also investigated.File | Dimensione | Formato | |
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