Optische Untersuchung diffusiver Transportvorgänge in mehrkomponentigen Fluiden

Titelangaben

Königer, Andreas:
Optische Untersuchung diffusiver Transportvorgänge in mehrkomponentigen Fluiden.
Bayreuth , 2012
( Dissertation, 2012 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit diffusivem Massentransport und untersucht diesen in optischen Experimenten. Dabei wird sowohl eine optische Detektion der Transportprozesse verwendet, als auch eine gezielte Manipulation von Teilchenbewegung durch Impulsübertragung bei Absorption und Streuung. Im zweiten Kapitel wird eine hoch empfindliche Zweifarb-Beamdeflection-Anlage als neue Messmethode zur Messung von Diffusion und Thermodiffusion in ternären Flüssigkeitsmischungen vorgestellt. Das Messprinzip beruht dabei auf der Ablenkung von Laserstrahlen im Brechungsindexgradienten einer horizontalen Flüssigkeitsschicht zwischen zwei Kupferplatten. Dieser bildet sich durch die Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit des Brechungsindex nach Schalten der Plattentemperaturen aus. Die gleichzeitige Detektion zweier Laserstrahlenwellenlängen erlaubt die Zeitentwicklung der Konzentrationsprofile zu messen. Über ein vollständiges mathematisches Modell des Experiments können alle vier Elemente der Diffusionsmatrix, sowie die beiden unabhängigen Soret- und Thermodiffusionskoeffizienten bestimmt werden. Die Arbeit beinhaltet erste Messungen der beiden symmetrischen Mischungen Dodekan/Isobutylbenzol/1,2,3,4-Tetrahydronaphthalen und 1-Methylnaphthalen/Oktan/Dekan. In einer Analyse der Messfehler durch Monte-Carlo-Simulationen werden die Kontrastfaktoren der Mischungen als limitierender Faktor für die Genauigkeit der Soret-Koeffizienten identifiziert. Weitere Möglichkeiten zur Steigerung der Messgenauigkeit werden vorgeschlagen. Im dritten Kapitels werden Messungen an dem System Wasser/Isopropanol beschrieben, die im Rahmen einer Internationalen Kooperation durchgeführt wurden. Das teilnehmende Labor an der Universität Brüssel verwendet dazu ein digitales Interferometer. An der Universität in Mondragon wird mit Thermogravitationssäulen und Sliding-Symmetric-Tubes gemessen. Die Messungen dieser Arbeit sind mit Beamdeflection unter Verwendung einer an das System angepassten Messzelle gemessen. Nach einer Beschreibung der Messprinzipien der einzelnen Methoden beinhaltet die Arbeit präzise Messergebnisse der Kontrastfaktoren und Transportkoeffizienten im gesamten Konzentrationsbereich bei den drei Temperaturen T=15°C, 25°C und 35°C. An alle Messwerte der Kooperation zusammen mit den älteren Literaturdaten sind approximierende Splines angepasst, mit denen Referenzwerte definiert werden. Das vierte Kapitel untersucht Thermodiffusion thermosensitiver Kolloide. Diese bestehen aus einem Polystyrolkern (PS) auf den ein Gelnetzwerk aus Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAM) aufgebracht ist. Abhängig von der Temperatur der Teilchen quillt und schrumpft die Hülle der Teilchen, was zu stark temperaturabhängigen Transportkoeffizienten führt. Neben einer Darstellung wichtiger Systemeigenschaften werden in dieser Arbeit temperaturabhängige Beamdeflection-Messungen gezeigt, aus denen Diffusions- und Soret-Koeffizienten gewonnen werden. Ein besonderer Schwerpunkt der Messungen liegt bei der Vermeidung von Konvektion. Eine Parametrisierung der Messwerte liefert eine lineare Temperaturabhängigkeit des Soret-Koeffizienten, während bei dem Diffusionskoeffizienten ein quadratischer Term mitberücksichtigt werden muss. Eine detaillierte Studie des Verhaltens einer großen Anzahl von Goldkolloiden in einer optischen Falle ist in Kapitel 5 enthalten. Die untersuchte optische Falle besteht aus einem konvergenten Laserstrahl, der die Kolloide entgegen der Gravitation nach oben an eine Saphirplatte drückt und durch den Strahlungsdruck gegen den osmotischen Druck komprimiert. Alle Experimente mit der Falle sind in einem invertierten Mikroskopaufbau durchgeführt, bei dem die Beobachtung der Teilchen und Einkopplung des Lasers durch das gleiche Objektiv erfolgen. Neben der Entwicklung eines deterministischen Modells enthält diese Arbeit Ergebnisse aus zahlreichen Langevin-Simulationen, mit deren Hilfe der Einfluss der stochastischen Bewegung der Teilchen genau untersucht wird. Damit können einige wesentliche Abweichungen von dem rein deterministischen Verhalten der Teilchen gefunden werden, die auch experimentell bestätigt werden. Bei geringer Laserleistung wird ein monoexponentieller Teilchenverlust gefunden. Für den Durchmesser der Kolloidwolke wird bei Variation der Laserleistung ein Hystereseeffekt nachgewiesen, der sich durch das komplexe Wechselspiel aus Strahlungsdruck und osmotischem Druck aus der Vorgeschichte des Experiments ergibt. Damit ist eine Einstellung der Teilchenzahl in der Falle möglich. Bei Verschiebung der Teilchen in einer sinusförmigen Bewegung ist eine Grenzfrequenz messbar, oberhalb derer die Kolloide der Bewegung nicht mehr folgen können. Abschließend wird die Auswirkung der Temperaturerhöhung an der Kolloidoberfläche diskutiert. In allen durchgeführten Experimenten kann kein Hinweis auf Thermophorese der Teilchen gefunden werden.

Abstract in weiterer Sprache

In this thesis diffusive mass transport is investigated in optical experiments. Optical detection of the transport processes is used, as well as controlled manipulation of particle motion due to momentum transfer caused by scattering and absorption. In the second chapter a highly sensitive two-color beam deflection setup has been introduced to establish a new experimental technique for the measurement of diffusion and thermodiffusion in ternary fluid mixtures. The principle of the device is based on deflection of laser beams in a thin horizontal sample layer between two thermostatted copper plates. The deflections evolve after switching to different plate temperatures and are caused by the refractive index gradients due to temperature and concentration gradients. Simultaneous detection of two laser beams with different wavelengths makes it possible to determine the time dependent concentration profiles. A comprehensive mathematical model of the experiment is used to obtain all four elements of the isothermal diffusion matrix and the two independent Soret and thermodiffusion coefficients. This thesis contains first measurements on the symmetric ternary mixtures dodecane/isobutylbenzene/1,2,3,4-tetrahydronaphthalene and 1-methylnaphthalene/octane/decane. Error analysis using Monte-Carlo simulations has shown, that the accuracy of the Soret coefficients is limited by the measurement errors of the contrast factors. Procedures for further improvement are suggested. In the third chapter measurements of the system water/isopropanol, performed within the framework of an international cooperation, are presented. The participating laboratory at the university in Brussels has used a digital interferometer. At the university in Mondragon the coefficients have been measured with a thermogravitational column in combination with sliding symmetric tubes. The measurements performed by the author of this thesis have been done by beam deflection with a diffusion cell optimised for the system. After a short description of all employed experimental techniques this thesis reports on precise values of contrast factors and transport coefficients measured over the full concentration range at the three temperature values T=15°C, 25°C, and 35°C. To all available data approximating splines have been fitted to define reference values for the system. Chapter 4 investigates thermodiffusion of thermosensitive colloids. It deals with mesoscopic particles, consisting of a polystyrene core (PS) surrounded by a gel network of poly(n-isopropylacrylamide) (PNIPAM) dissolved in water. Depending on temperature, the particles change their size due to swelling and shrinking of their shell, resulting in a strong temperature dependence of the transport coefficients. Besides the presentation of important system parameters, this thesis shows temperature dependent beam deflection measurements and evaluates diffusion and Soret coefficients. A lot of care has been taken to avoid convection. As a main result, a parametrisation of the transport coefficients leads to a linear temperature dependence of the Soret coefficient and a quadratic dependence of the diffusion coefficient. A detailed investigation of the behaviour of a large number of gold colloids in an optical trap is found in chapter 5. The investigated trap consists of a convergent laser beam, that lifts the colloids against gravity and compresses them against the osmotic pressure at the upper cell window. All experiments were performed using an inverted microscope setup with observation of the particles and laser focussing through the same objective. Besides the derivation of a pure deterministic model, this thesis also contains results based on Langevin simulations to take stochastic motion of the particle properly into account. They allow to identify crucial differences from purely deterministic motion of the particles, that are also observed experimentally. At low laser power, a monoexponential decay of the particle number is found. For the diameter of the colloidal gas it is demonstrated, that variation of the laser power leads to a hysteresis, because of the complex interplay of osmotic pressure and previous history of the experiment. This makes it possible to adjust the number of particles within the trap. A cut-off frequency is measured for displacement of the particles in a sinusoidal motion, above which the colloids are no longer able to follow the motion. Finally, the effects of temperature increase at the colloid surface are discussed. In all performed experiments no evidence of thermophoresis of the particles is found.