Grenzflächen- und Kolloidphysik an der Wasser-Luft-Grenzfläche und in binären Systemen

Titelangaben

Gehring, Tobias:
Grenzflächen- und Kolloidphysik an der Wasser-Luft-Grenzfläche und in binären Systemen.
Bayreuth , 2016 . - 102 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich im Schwerpunkt mit Grenzflächen- und Kolloidphysik, was anhand zweier Fallbeispiele behandelt wird.

Teil 1 beschreibt die Diffusion geladener Nanopartikel an der Wasser/Luft-Grenzfläche. Es fällt dabei auf, dass sich die Diffusion der Partikel nicht invariant gegenüber einer Ladungsumkehr verhält. Die Bewegung negativ geladener Partikel verlangsamt sich mit zunehmender Ionenkonzentration im Wasser, wohingegen positiv geladene Partikel an Geschwindigkeit gewinnen. Die Diffusion sei dabei grundsätzlich ein Maß für die Eintauchtiefe der Partikel, die sich über den Kontrast zwischen elektrostatischem Oberflächenpotential eines Partikels und elektrostatischem Potential der Wasser/Luft-Grenzfläche einstellt. Die gewonnenen Erkenntnisse erhöhen das Verständnis für den Aufbau der Wasser/Luft-Grenzfläche und liefern einen bedeutenden Beitrag zur Theorie des sogenannten „Electrodippings“.

Teil 2 stellt ein erweitertes Grenzflächenproblem dar, bei dem nicht mehr die Wasser/Luft-, sondern die Wasser/Lutidin-Grenzfläche untersucht wird. Die Öl-ähnliche Flüssigkeit Lutidin bildet zusammen mit dem Wasser ein binäres System, das sich durch kritisches Verhalten auszeichnet. Neben einer geschlossenen Koexistenzkurve zeigt dieses Gemisch auch spezielle Benetzungseigenschaften. Im Phasendiagramm liegt unterhalb der Phasenseparationskurve eine Benetzungskurve, oberhalb welcher sich Kapillarbrücken ausbilden können. Mithilfe von kolloidalen Partikeln die auf ein externes Magnetfeld reagieren, konnten die Kapillarbrücken aufgesprengt werden und dadurch das Verhalten der Grenzflächenspannung in Abhängigkeit von Temperatur und Lutidin-Wasser-Konzentration beschrieben werden.

Abstract in weiterer Sprache

The present thesis primarily deals with physics of interfaces and colloids, mentioned in the form of two examples.

Part 1 describes why the diffusion of charged nanoparticles at an aqueous/air interface is not invariant under a charge reversal of the particles. Negatively charged particles slow down with the ionic strength of the aqueous phase, while positively charged particles speed up. The diffusion constant of the particles reflects their immersion into the aqueous/air interface. It is explained how the behaviour of oppositely charged particles proofs that the immersion depth of the particles scales with the contrast in electric surface potential of the particle to the electric surface potential of the air/water interface, not with the particle’s charge density. This potential drop across the air/water interface should be included into theories of electrodipping.

Part 2 presents an extended interface problem, in which the water/lutidine and not the water/air-interface is investigated. Lutidine and water form a binary liquid mixture, which exhibits critical behaviour. Besides a closed-loop coexistence curve, this particular mixture also attracts interest because of its wetting properties. Below the two-phase-separating curve in the phase diagram there is also a wetting-transition curve, indicating a region, in which capillary bridges between the mixed liquids can be formed. With the help of colloidal particles exposed to a magnetic field it is possible to state this wetting-transition curve experimentally, and furthermore, describe the interfacial tension in the bridging region as a function of temperature and water-lutidine-concentration.