A study on the effects of interparticle interactions on the dynamics, rheology and aging of colloidal systems out of equilibrium

Abstract

The phase behavior of a suspension of monodisperse colloidal hard spheres isdetermined solely by its volume fraction, φ. At low concentrations we find a liquidstate and at higher concentrations it forms an ordered crystal as a way to maximizeentropy. At a transition volume fraction of about 0.59 the system becomes kineticallytrapped in a metastable glassy state. Addition of a high concentration non-adsorbinglinear polymer depletant causes attractions between the particles, inducingmicrostructurally heterogeneous frozen gel states at intermediate volume fractions andattractive glasses at high φ’s. Under non-linear shear, solid-like suspensions of hardspheres, either glasses, crystals or gels, yield and flow, the stress response to theapplied strain reflecting the microstructural changes and microscopic particle motions.This study focuses on the linear and the non-linear properties under shear (transientand steady state), both microscopic and rheological, of solid-like colloidalsuspensions, encompassing the hard sphere glasses, shear induced crystals, attractiveglass and gels states. To this end, we use rheology, Brownian Dynamics simulations,along with the light scattering Echo technique.

Η φασική συμπεριφορά ενός αιωρήματος μονοδιάσπαρτων σκληρών σφαιρώνκαθορίζεται μόνο από το κλάσμα όγκου του. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις είναι σευγρή φάση και σε πιο μεγάλες ανασυντάσσεται σε κρύσταλλο για να μεγιστοποιήσειτην εντροπία. Στο μεταβατικό κλάσμα όγκου των 0.59, το σύστημα εγκλωβίζεταικινητικά σε μια μετασταθή υαλώδη κατάσταση. Η προσθήκη μη προσροφώμενων,υψηλής συγκέντρωσης, γραμμικών πολυμερών προκαλεί ελκτικές δυνάμειςαποκλεισμού ανάμεσα στα σωματίδια, επιφέροντας δομικά ετερογενής καταστάσειςπηκτώματος, σε ενδιάμεσα κλάσματα όγκου, και ελκτικούς ύαλους σε μεγαλύτερα.Υπό την εφαρμογή μη γραμμικής διάτμησης, στερεές καταστάσεις σκληρώνσφαιρών, είτε ύαλου, κρύσταλλου ή πηκτώματος, υγροποιούνται και ρέουν, με τηνμετρούμενη τάση να αντικατοπτρίζει τις μικροσκοπικές κινήσεις και αλλαγές στηδομή. Αυτή η διατριβή εστιάζει στις γραμμικές και μη γραμμικές καταστάσεις υπόδιάτμηση (μεταβατικές και σταθερές), εξετάζοντας τις μικροσκοπικές και ρεολογικέςιδιότητες στερεών κολλοειδών αιωρημάτων. Τα μελετώμενα συστήματασυμπεριλαμβάνουν ύαλους σκληρών σφαιρών, κρυστάλλους επαγόμενους υπόδιάτμηση, πηκτώματα και ελκτικούς ύαλους, τα οποία εξετάζονται με την χρήσηρεολογίας, προσομοιώσεων Brownian δυναμικής και την τεχνική σκέδασης φωτόςEcho.