Authors:	Pilat, Dominik Waldemar
Title:	Surface force measurement at high hydrostatic pressure
Online publication date:	7-Dec-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	Surface forces are well understood at standard ambient conditions, but there is very little understanding about surface forces at high hydrostatic pressure. The main cause for the lack of understanding is the absence of a proper tool, most likely due to technical difficulties associated with high pressure. However, many systems that are dominated by surface forces occur in high pressure environments. Such environments are e.g. the deep sea or bore holes for oil recovery. Thus, it is desirable to open up the research field of surface forces at high pressure to experimental investigation. In this work I developed a scientific instrument for surface force measurement at high hydrostatic pressure. The instrument is a combination of a long-working-distance optical trap, an interferometer and an optical high-pressure cell. Surface forces were measured between a glass wall and a colloidal glass bead in aqueous solutions. The bead was pushed against the wall by the optical trap. The distance between bead and wall was determined by evaluation of the reflection interference between bead and wall. The entire system was placed inside the optical high-pressure cell that allowed for the realization of up to 1 kbar of pressure, which corresponds to the highest pressure encountered in the deep sea. The instrument was applied to the investigation of the pressure dependence of the electrostatic double-layer force. Force-distance curves were recorded with sub-nanometer distance resolution and a maximum force of the order of 0.1 nN. It could be shown that the effect of pressure on characteristics of the electrostatic double-layer force is minor. The pressure effect could be traced back to the pressure dependence of the dielectric constant of water. Other pressure effects, e.g. due to a change in the zeta-potentials of the electric double-layers were excluded. The observation of only minor and explainable changes in the recorded force curves with pressure demonstrates that the instrument works reliably at high pressure. Furthermore, the thermal motion of the bead close to the wall was investigated. It was found that the thermal motion of a colloidal bead can be recorded with nanometer resolution at high pressure with the developed instrument. This unique capability gives the possibility for widening the range of interactions that can be studied at high pressure and improving the force resolution to the order of femtonewton. The results demonstrate that the developed instrument is a suitable tool for the investigation of surface forces at high hydrostatic pressure. The instrument is applicable to a multitude of interactions and will certainly deepen our understandings of colloidal systems in high pressure environments. Unter Normalbedingungen sind Oberflächenkräfte weitgehend verstanden. Es besteht jedoch kaum Wissen über Oberflächenkräfte bei Hochdruck. Dies ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass aufgrund von technischen Schwierigkeiten, die mit der Erzeugung von Hochdruck einhergehen, kein geeignetes Messgerät vorhanden ist. Es existiert jedoch eine Vielzahl von Systemen, in denen Oberflächenkräfte relevant sind, die in Umgebungen mit hohem Druck vorkommen. Solche Umgebungen sind z. B. die Tiefsee oder Bohrlöcher bei der Ölgewinnung. Es ist daher erstrebenswert, das wissenschaftliche Gebiet der Oberflächenkräfte bei Hochdruck experimentell zu erschließen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit habe ich ein wissenschaftliches Messgerät entwickelt um Oberflächenkräfte bei Hochdruck zu messen. Das Messgerät setzt sich aus einer optischen Falle, einem Interferometer und einer optischen Hochdruckzelle zusammen. Oberflächenkräfte wurden gemessen zwischen einer Glaswand und einer kolloidalen Glaskugel in wässrigen Lösungen. Die Kugel wurde mittels optischer Falle gegen die Wand gedrückt. Der Abstand zwischen Kugel undWand wurde anhand der Interferenz von Reflektionen an Kugel und Wand bestimmt. Das System aus Kugel, Wand und Probenflüssigkeit befand sich in der optischen Hochdruckzelle, welche die Erzeugung von Drücken bis zu 1 kbar ermöglichte. Dies entspricht dem höchsten Druck in der Tiefsee. Das Messgerät wurde zur Untersuchung der Druckabhängigkeit der Kraft zwischen zwei Oberflächen angewendet, deren elektrochemische Doppelschichten überlappen, engl.: electrostatic double-layer force. Kraft-Abstands-Kurven wurden mit Subnanometer Abstandsauflösung und maximalen Kräften in der Größenordnung von 0,1 nN aufgenommen. Es konnte nachgewiesen werden, dass Druckänderungen die gemessene Wechselwirkung nur geringfügig beeinflussen. Die druckabhängigen Änderungen konnten mithilfe der Druckabhängigkeit der Permittivität von Wasser erklärt werden. Weitere mögliche druckbedingte Änderungen der Wechselwirkung, z. B. durch eine Änderung des zeta-potentials der elektrochemischen Doppelschichten konnten ausgeschlossen werden. Die Messung von nur geringfügigen und erklärbaren Druckeffekten belegt die Zuverlässigkeit des Messgeräts bei Hochdruck. Des Weiteren wurde die brownsche Bewegung der Kugel in der Nähe der Wand untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit dem hier entwickelten Messgerät die brownsche Bewegung kolloidaler Kugeln bei Hochdruck mit Nanometer-Abstandsauflösung untersucht werden kann. Diese einzigartige Fähigkeit bietet die Möglichkeit eine Vielzahl von Wechselwirkungen bei Hochdruck zu untersuchen und insbesondere die Kraftauflösung bis auf Femtonewton zu verbessern. Die hier erzielten Ergebnisse demonstrieren, dass das entwickelte Messgerät ein geeignetes Werkzeug zur Untersuchung von Oberflächenkräften bei Hochdruck ist. Das Messgerät ist auf eine Vielzahl vonWechselwirkungen anwendbar und wird in Zukunft mit Sicherheit unser Verständnis kolloidaler Systeme bei Hochdruck erweitern.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4584
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000008561
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VII, 127 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen