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Simulation elektrisch geladener Partikel in Suspensionen

Werth, Jochen

Kolloidale Suspensionen bilden eine breite Basis für den experimentellen und technischen Zugang zu Nanopartikeln. Als Suspensionsmedium werden sehr häufig Elektrolyte eingesetzt, wobei Wasser das am häufigsten verwendete Medium ist. Durch die Bildung einer elektrostatischen Doppelschicht ionisierter Lösungsmittelmoleküle kommt es dabei zu einer effektiven Ladung der Kolloidteilchen. In einer zweiten Art kolloidaler Suspensionen werden unpolare, weitgehend ionenfreie Lösungsmittel eingesetzt. In diesen Suspensionen ist eine gezielte elektrische Ladung der suspendierten Partikel möglich. Diese elektrische Ladung der Kolloidteilchen wird nicht durch freie Ionen abgeschirmt und führt zu einer langreichweitigen Partikelwechselwirkung. In der vorliegenden Arbeit wird das dynamische Verhalten solcher elektrisch geladener Partikel in Suspensionen untersucht. Ein Schwerpunkt ist dabei die Untersuchung der hydrodynamischen Wechselwirkung zwischen suspendierten Partikeln. Diese Wechselwirkung kann in Form einer Vielteilchen-Mobilitäts- oder Reibungsmatrix ausgedrückt werden. Es werden verschiedene Methoden zur Berechnung der Mobilitätsmatrix und der dazu inversen Reibungsmatrix vorgestellt und miteinander verglichen. Es stellt sich heraus, dass die direkte Berechnung der Vielteilchen-Mobilitätsmatrix zu unphysikalischen Artefakten führt, während die Vielteilchen-Reibungsmatrix diese Artefakte nicht zeigt. Darauf folgend wird unter Verwendung der Vielteilchen-Reibungsmatrix die Agglomerationsrate gleichnamig geladener Partikel in einer Suspension untersucht. Grundlage hierfür ist eine Computersimulation der Brownschen Dynamik. Es zeigt sich, dass die Agglomerationsrate im wesentlichen durch das Verhältnis der thermischen Energie und der Coulomb-Barriere zwischen den Partikeln bestimmt ist. Einen zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die detailierte Untersuchung der Agglomeration ungleichnamig geladener Partikel. Hierbei wird durch analytische Berechnungen und mit Hilfe einer Computersimulation untersucht, in welchem Ausmaß die elektrische Ladung der Partikel zu einer gezielten Agglomeration beiträgt. Eine mögliche Anwendung ist dabei die gezielte Beschichtung von Oberflächen mit Nanopartikeln.

Colloidal suspensions form a broad basis for experimental as well as technological approach to nanoparticles. The solvent is often formed by electrolytes, with water being the most frequently used medium. Due to the formation of electrostatic doublelayers, the particles in such suspensions are usually effectively charged. In a second kind of colloidal suspensions, solvents consisting of unpolar and non-ionized molecules are used. In such suspensions, a controlled electric charging of the suspended particles is feasible. These electric charges are not screened by free ions and thus lead to a long-ranged electrostatic interaction of particles. In the present work, the dynamic behavior of such electrically charged particles in suspensions is investigated. A main topic is the investigation of hydrodynamic interactions between suspended particles. These interactions can be expressed in terms of a many-particle mobility matrix or a many-particle friction matrix. Several methods for computing the mobility matrix and its inverse, the friction matrix, are presented and compared with each other. It turns out that the directly computed many particle mobility matrix shows unphysical artefacts, while the many particle friction matrix does not show these artefacts. Subsequently, the agglomeration rate of equally charged particles is investigated. This is done by using a brownian dynamics computer simulation including the many particle friction matrix. It turns out that the agglomeration rate is mainly determined by the ratio of thermal energy of the particles and the coulomb barrier between them. A second main topic of the present work is a detailed investigation of the agglomeration of oppositely charged particles. By using analytical calculations as well as computer simulations, it is investigated to what extent electric charges of particles do contribute to controlled aggregation. A possible application is the controlled coating of surfaces with nanoparticles.

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Werth, Jochen: Simulation elektrisch geladener Partikel in Suspensionen. 2007.

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