Adsorption of colloidal particles on mobile rafts

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Pinto, Diogo Estêvão Pereira
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/27665
Resumo: Tese de mestrado, Física (Física da Matéria Condensada e Nano-materiais) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017
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spelling Adsorption of colloidal particles on mobile raftsColloidal particlesSystems far from equilibriumRandom sequential adsorptionTeses de mestrado - 2017Departamento de FísicaTese de mestrado, Física (Física da Matéria Condensada e Nano-materiais) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Colloidal particles trapped at oil-water interfaces interact through long-range capillary forces resulting from the deformation of the interface. As a result, kinetically trapped structures are obtained and expected quasi-2D thermodynamic phases are rarely obtained. A scheme was recently proposed to avoid such strong particle-particle interactions and to obtain a fully ergodic quasi-2D colloidal dynamics. The idea is to adsorb DNA-coated colloidal particles on complementary DNA patches that are diffusing on the surface of the oil droplets. Here, we develop a theoretical model that replicates the relevant physical properties of the experimental system. We perform an extensive numerical study of the model using a kinetic Monte Carlo algorithm. We find that the coverage, for an earlier stage of the evolution, does not depend strongly on the diffusion coefficient. However, as time evolves differences become evident. We also observe that as the system reaches jamming, the number of parameters that describe the coverage evolution can be reduced. We supplement this study with an analytical approach using a mean-field approximation. With it, we are able to reach closed form equations that describe the time evolution of the density of adsorbed particles and patches, and show that the numerical data follows the same functional dependency. We also show that our results are able to reproduce, qualitatively, what is seen in the experiments. Finally, we use a one-dimensional continuum model to study numerically the irreversible ad- sorption of particles on the patches, with the focus on the possible configurations created due to the random sequential adsorption. Here, we study how the number of adsorbed particles on the patch de- pends on the ratio between their respective sizes. We support this study with an analytical approach, which enumerates the possible configurations of the model for certain patch sizes. We show that the analytical results are in very good agreement with the numerical ones.Nesta tese é apresentado um estudo da adsorção partículas coloidais cobertas com ADN, em gotas de óleo funcionalizadas com o ADN complementar. Este sistema visa reduzir a deformação da superfície da gota causada pela adsorção das partículas coloidais. Usando este método, é possível evitar o aparecimento de forças capilares de longo alcance entre partículas coloidais adsorvidas na interface, que leva à formação de estruturas presas pela cinética. Assim, é possível desenvolve um sistema em que a dinâmica das partículas após adsorção é ergódica, e as estruturas termodinâmicas mais estáveis estão acessíveis pela cinética. O sistema físico consiste em gotas de óleo submersas numa solução aquosa, estabilizadas por moléculas SDS. Na sua superfície são adsorvidas cadeias polímeros PLL-PEG-bio, que podem difundir ao longo da superfície da gota. Depois, cadeias únicas de ADN são introduzidas aos polímeros, de modo a formar patches de ADN. Cobrindo as partículas coloidais com as cadeias de ADN complementar e sé possível introduzir uma interacção selectiva entre as partículas e a superfície da gota. Usando este método, é possível mostrar que a deformação da superfície da gota se torna desprezável. A adsorção das partículas na superfície da gota, apesar de muito forte, pode ser revertida aumentando a temperatura. Experimentalmente, observa-se que a cobertura da gota não só depende da dinâmica na sua superfície mas também da concentração de partículas coloidais em solução. Para estudar este sistema, foi desenvolvido um modelo teórico que tenta capturar as suas propriedades físicas mais relevantes. Este consiste num substrato, modelado como uma rede, comum certo tamanho em unidades de sítios de rede, onde os patches difundem, com um dado coeficiente de difusão D. As partículas tentam adsorver no substrato comum fluxo F. Estas só podem adsorver em patches que estejam livres, e, tanto a interação partícula-partícula como a interacção patch-patch são considerada como de volume excluído. Depois de uma partícula adsorver se ainda possuir espaço não ocupado por baixo da mesma, outro patch que esteja a difundir pode encontrá-la e agregar-se a ela. Usando este modelo é possível estudar a adsorção irreversível das partículas coloidais nos patches, e ver como a cobertura da gota depende dos parâmetros do sistema.Uma das nossas abordagens a este problema foi numérica. Para seguir a dinâmica do sistema usámos o método de Monte Carlo cinético. Como sabemos todos os processos que podem acontecer e as respectivas taxas, é possível gerar um catálogo de processos, e assim formular um algoritmo sem rejeições. Este é bastante útil, pois possibilita a exploração de escalas de tempo mais longas de uma forma bastante eficiente quando comparado com outros método como Dinâmica Molecular. Este método faz uso de um relógio físico e tem em conta toda a sequência de eventos até chegar à configuração final (ao contrário de MCstandard), fornecendo informações fundamentais para estudar a dinâmica.Nós estudámos este modelo em uma e duas dimensões. Em ambas os patches são modelados como monómeros, enquanto que as partículas para 1D são dímeros e em2D quadrados com largura igual a dois em unidades de sítios de rede. O nosso foco foi direccionado para a evolução temporal da cobertura, onde observámos que a mesma aumenta monotonicamente ao longo do tempo. Também observamos que, para fluxos altos, a cobertura no jamming tende para o valor assimptótico de uma partícula por patch. Isto deve-se ao facto de que quando F aumenta os patches vão ter menos tempo para se agregarem entre adsorções sucessivas. Também observámos que diminui com o aumento do coeficiente de difusão, dado que este aumenta a probabilidade de patches se agregarem, o que diminui o número de patches livres em que as partículas podem adsorver.Para tempos baixos, verifica-se que a cobertura do sistema tem uma dependência desprezável no coeficiente de difusão dos patches. Esta observação vem do facto de as curvas da cobertura em função do tempo, para diferentes coeficientes de difusão, quase se sobreporem `a de D = 0. Assim, é possível definir um tempo, t*, que mede como as curvas da cobertura para diferentes D se desviam da de D = 0. É possível observar que t* decresce com D, dado que quanto maior D mais rápido os patches encontram outras partículas adsorvidas, produzindo um efeito na cobertura do sistema. Para além disso, t* também decresce com n0 (definido como a densidade inicial de patches), porque quanto maior n0, menor a distância típica entre patches, o que promove a sua agregação. T* também decresce com F, dado que este aumenta o número de tentativas de adsorção de partículas, levando a uma mais rápida cobertura do sistema. Estes resultados foram observados tanto para uma dimensão como para duas. O passo seguinte foi estudar o estado de jamming. Aqui observámos que o número de parâmetros relevantes para o sistema quando ele chega ao jamming é reduzido. Enquanto que durante a dinâmica inicial tanto F como D são parâmetros relevantes, ao chegar ao jamming o parâmetro relevante passa a ser a razão F/D. Também observámos que a cobertura no jamming cresce monotonicamente com F/D, devido à competição entre as duas escalas de tempo envolventes: o tempo browniano característico da difusão dos patches e o tempo de chegada das partículas à interface. Sendo assim, quando F/D aumenta mais partículas vão conseguir adsorver, dado que vai ser menos provável que os patches consigam encontrar partículas para agregar entre adsorções sucessivas. Este resultado foi observado para uma e duas dimensões. Este resultado vem ao encontro do que foi observado experimentalmente, onde se vê que aumentar a concentração de partículas coloidais na solução (que corresponde a um aumento de F neste modelo), leva a um aumento da cobertura da gota. Também abordámos o problema analiticamente e usando uma aproximação de campo médio, de modo a estudar a evolução temporal da densidade de partículas adsorvidas (cobertura) e de patches livres. Tendo em conta apenas os processos de adsorção de partículas e agregação de patches, e desprezando as correlações espaciais, é possível chegar a duas equações exatas para o nosso problema. Tirando o limite assimptótico (t → ∞ ) das equações, é possível observar que o número de parâmetros necessários para descrever a densidade partículas adsorvidas (que é igual à cobertura) é reduzido, passando de F e D, para F/D. Também estudámos o comportamento inicial das funções expandindo-as em torno de t = 0, onde observámos que os primeiros dois termos da expansão não dependem de D, e este parâmetro só surge no termo de terceira ordem. Por isso, enquanto o termo de terceira ordem é desprezável, a densidade de partículas adsorvidas evolui aproximadamente como observado para D = 0. Comparando os resultados analíticos com os da simulação usando o modelo de rede é possível observar as mesmas dependências funcionais nos parâmetros, tanto para uma dimensão como para duas.O último estudo que esta tese foca é a descrição¸ do sistema no contínuo. Para este estudo, propomos um modelo em que as partículas são modeladas como segmentos de um certo tamanho e o patch também como um segmento com de tamanho diferente. As únicas interações tidas em conta são as de volume excluído entre partículas. Para estudar este modelo numericamente, um algoritmo foi desenvolvido que se foca na localização de intervalos abertos onde partículas podem adsorver no patch sem sobrepor outras. Assim é possível formular um algoritmo eficiente sem rejeições. Este estudo tem como objectivo compreender como a cobertura do patch depende da razão entre os tamanhos das partículas e do patch (AR). Observamos que para AR > 1, o número de partículas adsorvidas aumenta monotonicamente como AR. No entanto para 0 < AR < 1, dado que uma única partícula pode cobrir completamente o patch, a dependência em AR é diferente. Também desenvolvemos uma abordagem analítica que se foca na enumeração de todas as possíveis configurações. Aqui apresentámos os cálculos para 0 < AR < 1 e 1 < AR < 2. Comparando com os obtidos numericamente observámos que ambos estão em excelente acordo.Araújo, NunoGama, Margarida Telo da, 1956-Repositório da Universidade de LisboaPinto, Diogo Estêvão Pereira2017-05-11T10:17:10Z201720172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/27665TID:201693445enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:18:48Zoai:repositorio.ul.pt:10451/27665Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:44:03.098046Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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