With the rise of nanotechnology in the last decade, nanofluidics has been established as a research field and gained increased interest in science and industry. Natural aqueous nanofluidic systems are very complex, there is often a predominance of liquid interfaces or the fluid contains charged or differently shaped colloids. The effects, promoted by these additives, are far from being completely understood and interesting questions arise with regards to the confinement of such complex fluidic systems.
A systematic study of nanofluidic processes requires designing suitable experimental model nano – channels with required characteristics. The present work employed thin liquid films (TLFs) as experimental models. They have proven to be useful experimental tools because of their simple geometry, reproducible preparation, and controllable liquid interfaces. The thickness of the channels can be adjusted easily by the concentration of electrolyte in the film forming solution. This way, channel dimensions from 5 – 100 nm are possible, a high flexibility for an experimental system. TLFs have liquid IFs of different charge and properties and they offer the possibility to confine differently shaped ions and molecules to very small spaces, or to subject them to controlled forces. This makes the foam films a unique “device” available to obtain information about fluidic systems in nanometer dimensions.
The main goal of this thesis was to study nanofluidic processes using TLFs as models, or tools, and to subtract information about natural systems plus deepen the understanding on physical chemical conditions. The presented work showed that foam films can be used as experimental models to understand the behavior of liquids in nano – sized confinement.
In the first part of the thesis, we studied the process of thinning of thin liquid films stabilized with the non – ionic surfactant n – dodecyl – β – maltoside (β – C₁₂G₂) with primary interest in interfacial diffusion processes during the thinning process dependent on surfactant concentration 64. The surfactant concentration in the film forming solutions was varied at constant electrolyte (NaCl) concentration. The velocity of thinning was analyzed combining previously developed theoretical approaches. Qualitative information about the mobility of the surfactant molecules at the film surfaces was obtained. We found that above a certain limiting surfactant concentration the film surfaces were completely immobile and they behaved as non – deformable, which decelerated the thinning process. This follows the predictions for Reynolds flow of liquid between two non – deformable disks.
In the second part of the thesis, we designed a TLF nanofluidic system containing rod – like multivalent ions and compared this system to films containing monovalent ions. We presented first results which recognized for the first time the existence of an additional attractive force in the foam films based on the electrostatic interaction between rod – like ions and oppositely charged surfaces. We may speculate that this is an ion bridging component of the disjoining pressure. The results show that for films prepared in presence of spermidine the transformation of the thicker CF to the thinnest NBF is more probable as films prepared with NaCl at similar conditions of electrostatic interaction. This effect is not a result of specific adsorption of any of the ions at the fluid surfaces and it does not lead to any changes in the equilibrium properties of the CF and NBF. Our hypothesis was proven using the trivalent ion Y3+ which does not show ion bridging. The experimental results are compared to theoretical predictions and a quantitative agreement on the system’s energy gain for the change from CF to NBF could be obtained.
In the third part of the work, the behavior of nanoparticles in confinement was investigated with respect to their impact on the fluid flow velocity. The particles altered the flow velocity by an unexpected high amount, so that the resulting changes in the dynamic viscosity could not be explained by a realistic change of the fluid viscosity. Only aggregation, flocculation and plug formation can explain the experimental results. The particle systems in the presented thesis had a great impact on the film interfaces due to the stabilizer molecules present in the bulk solution.
Finally, the location of the particles with respect to their lateral and vertical arrangement in the film was studied with advanced reflectivity and scattering methods. Neutron Reflectometry studies were performed to investigate the location of nanoparticles in the TLF perpendicular to the IF. For the first time, we study TLFs using grazing incidence small angle X – ray scattering (GISAXS), which is a technique sensitive to the lateral arrangement of particles in confined volumes. This work provides preliminary data on a lateral ordering of particles in the film. / Mit dem Heranwachsen der Nanotechnologie in den vergangenen zehn Jahren hat sich die Nanofluidik als Forschungsbereich etabliert und erfährt wachsende Aufmerksamkeit in der Wissenschaft, sowie auch in der Industrie. Im biomedizinischen Bereich, wo intrazelluläre Prozesse häufig komplexer, nanofluidischer Natur sind, wird sich vermehrt für ein detailliertes Verständnis von nanofluidischen Prozessen interessiert, z.B. für den Einfluss von Kolloiden verschiedenster Form oder elektrischer Ladung auf die Kanäle und auf das Fließverhalten oder die Auswirkungen der Einengung von Flüssigkeiten und Kolloiden in Nanometer Geometrien.
In der vorliegenden Arbeit werden dünne flüssige Filme, hinsichtlich ihrer Funktion als nanofluidische Modelle untersucht.
Im ersten Teil der Arbeit wurde die Fließgeschwindigkeit des Fluids aus dem dünnen Film, abhängig von der Konzentration der filmstabilisierenden Tensidmoleküle n – Dodecyl β – D – Maltoside ( β – C₁₂G₂) bei einer konstanten Elektrolytkonzentration von 0.2 mM NaCl untersucht. Mit einem theoretischen Modell konnte das Dünnungsverhalten nachgezeichnet werden. Es wurde eine kritische Tensidkonzentration gefunden, unter der die Oberflächen lateral mobil sind und über der sie sich wie fest verhalten. Dadurch konnten wir Aufschluss darüber erlangen, wie die Oberfläche des Films unter verschiedenen Bedingungen geschaffen ist, und das in Bezug zur Verteilungsdichte der Moleküle an den Oberflächen setzen.
Im weiteren wurden komplexere, nanofluidische Systeme untersucht, wobei zum einen ~ 1 nm lange, stäbchenförmige, multivalent geladene Spermidin - Moleküle die punktförmigen Elektrolyte ersetzten. Es konnte eine deutliche Veränderung der Stabilität zwischen Filmen mit und ohne Stäbchen festgestellt werden. Die Filme, mit NaCl, blieben länger in dem metastabilen „Common Film“ (CF) Zustand als die Filme, die eine vergleichbare Konzentration von Spermidin Stäbchen beinhalteten. Die Ergebnisse deuteten auf eine zusätzliche Anziehungskraft durch Brückenbildung zwischen zwei geladenen Oberflächen durch gegensätzlich geladene Stäbchenförmige Moleküle hin. Es konnte gezeigt werden, dass dieser Effekt weder ein Ergebnis von spezifischer Ionenadsorption an die Filmoberfläche war, noch ein Unterschied in den Gleichgewichtszuständen von den Dicken der CFs und der Newton Black Films (NBFs) hervorrief, was auf die korrekte Annahme der Ionenstärke in der Lösung schließen ließ. Auch in Versuchen mit ebenfalls trivalenten Ionen YCl3 wurde festgestellt, dass kein vergleichbarer Überbrückungseffekt auftritt. Die Ergebnisse wurden mit theoretischen Simulationen verglichen und es wurde eine quantitative Übereinstimmung gefunden bezüglich der Größe des Systeminternen Energiegewinns durch den Überbrückungseffekt.
Desweiteren wurde das Fließverhalten von Fluiden mit Kolloiden eingeengt in Nanometer Geometrien untersucht. Für zwei verschiedene Arten von Nanopartikeln (Fe3O4 stabilisiert mit Oleinsäure und polymerstabilisierte Goldpartikel) wurde eine Verlangsamung der Fließgeschwindigkeit festgestellt. Mit einem theoretischen Modell konnte das Fließverhalten nur für enorm erhöhte Viskositätswerte des Fluids erklärt werden. Die Viskositätserhöhung wurde mit Partikelaggregaten, die den Ausfluss behindern, erklärt und diskutiert, unter der Annahme eines nicht - Newtonischen Fließverhaltens der Dispersionen.
Gleichermaßen wurde die strukturelle Anordnung der Partikel in den Filmen hinsichtlich ihrer vertikalen und lateralen Verteilung untersucht. In dieser Arbeit werden vorläufige Ergebnisse präsentiert, die noch weiteren Studien bedürfen. Mit Neutronenreflexion sollte die Anordnung der Partikel orthogonal zur Oberfläche im Film analysiert werden. Eine qualitative Analyse lässt schließen, dass bei einer höheren Konzentration von Partikeln in Lösung, sich auch eine erhöhte Konzentration von Partikeln im dünnen Film befindet. Leider konnten die Daten nicht hinsichtlich der Lage der Partikel analysiert werden.
Zum ersten Mal wurden dünne flüssige Filme mit Kleinwinkelröntgenstreuung unter streifendem Einfall (GISAXS) analysiert. Mit Hilfe dieser Methode sollte eine laterale Anordnung der Partikel im Film untersucht werden. Es konnten erfolgreiche Messungen durchgeführt werden und mit Hilfe der rechnergestützten Analyse konnte eine Aussage gemacht werden, dass ~ 6 nm große Teilchen in ~ 43 nm Abstand sich im Film befinden. Die Aussage bezüglich der kleinen Teilchen könnte sich auf einzelne, kleinere Partikel beziehen, allerdings könnten auch die 43 nm eine relevante Strukturgröße darstellen, da es in der Dispersion gehäuft Aggregate mit dem Durchmesser in dem Größenbereich vorliegen.
Zusammenfassend können sich mit dieser Arbeit die dünnen flüssigen Filme als eine wichtige Kernmethode der Untersuchung von nanofluidischen Prozessen, wie sie häufig in der Natur vorkommen, behaupten.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:4637 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Stöckle, Silke |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Chemie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/ |
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