Charged colloidal suspensions in confined geometries

Abstract

Im Zentrum dieser Arbeit steht das Verhalten von geladenen kolloidalen Suspensionen in eingeschränkten Geometrien. Es wurden verschiedene keilförmige Zellen verwendet, die eine kontinuierliche Variation der Abstände zwischen den Platten ermöglichen. In Zellen mit fluid geordneten Suspensionen bei niedrigen Salzkonzentrationen akkumulieren die kolloidalen Partikel in der Keilspitze und bilden kristallin geordnete Strukturen. Systematische Experimente zu diesem Akkumulationseffekt führen zu dem Schluss, dass es um eine elektrostatischer Fallensituation handeln muss, was durch ein einfaches theoretisches, von Löwen et al vorgeschlagenes Modell bestätigt wird. In Abhängig von der Zellhöhe lässt sich in den auftretenden kristallinen Strukturen eine charakteristische Abfolge erkennen. Diese Struktursequenz wurde schon zuvor in eingeschränkten Keilgeometrien beobachtet, jedoch ermöglichen die in unseren Experimenten realisierbaren kleinen Keilwinkel die Beobachtung neuer Strukturen. Einige dieser neuen Strukturen zeigen eine exotische Anordnung die keine atomare Entsprechung besitzen. Basierend auf experimentellen Beobachtungen schlagen wir Modelle für unterschiedliche Übergangsmechanismen zwischen den verschiedenen Strukturen vor, unter der physikalisch motivierten Vorraussetzung, dass sich die Partikel wie einem hohen Druck unterworfene harte Kugeln verhalten. Des Weiteren wurde eine Zelle mit variabler Höhe konstruiert, die zur Untersuchung des vollständigen Phasenverhaltens geladener, zwischen parallelen Platten eingeschlossener Kugeln dient. Die vorläufigen Ergebnisse werden mit theoretischen Prognosen verglichen.

In this thesis, the behaviour of charged colloidal suspensions under geometrical confinement is studied. We use different wedge-like geometries which allow a continuous variation of the distance between the plates. At low salt concentrations the confinement of suspensions in fluid phase cells reveal that the particles accumulate in the cusp of the wedge forming crystalline ordered structures. We present systematic experiments to understand the accumulation effect in the narrow part of the cell. We conclude that the effect is due to electrostatic trapping, which is confirmed by a simple theoretical model proposed by Löwen et al.. Crystalline structures appear forming a characteristic sequence with increasing plate distance. This structural sequence has been already observed previously in confinement at wedge geometries; however, the small wedge angles achieved in our experiments allow the observation of new structures. Some of these new structures show exotic arrangements that have no atomic counterpart. We also propose different transition mechanism models between the different structures based on the experimental observations. For that we assume that the particles behave as hard spheres subject to a high pressure. Finally, a cell with variable height was designed in order to study the complete phase behaviour of charged spheres confined between parallel plates. The preliminary results are compared with theoretical predictions.