Werth, Jochen Heinrich:

Simulation elektrisch geladener Partikel in Suspensionen

(2007), 131 S.
Dissertation / Fach: Physik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2007
Abstract:
Kolloidale Suspensionen bilden eine breite Basis für den experimentellen und technischen Zugang zu Nanopartikeln. Als Suspensionsmedium werden sehr häufig Elektrolyte eingesetzt, wobei Wasser das am häufigsten verwendete Medium ist. Durch die Bildung einer elektrostatischen Doppelschicht ionisierter Lösungsmittelmoleküle kommt es dabei zu einer effektiven Ladung der Kolloidteilchen. In einer zweiten Art kolloidaler Suspensionen werden unpolare, weitgehend ionenfreie Lösungsmittel eingesetzt. In diesen Suspensionen ist eine gezielte elektrische Ladung der suspendierten Partikel möglich. Diese elektrische Ladung der Kolloidteilchen wird nicht durch freie Ionen abgeschirmt und führt zu einer langreichweitigen Partikelwechselwirkung. In der vorliegenden Arbeit wird das dynamische Verhalten solcher elektrisch geladener Partikel in Suspensionen untersucht. Ein Schwerpunkt ist dabei die Untersuchung der hydrodynamischen Wechselwirkung zwischen suspendierten Partikeln. Diese Wechselwirkung kann in Form einer Vielteilchen-Mobilitäts- oder Reibungsmatrix ausgedrückt werden. Es werden verschiedene Methoden zur Berechnung der Mobilitätsmatrix und der dazu inversen Reibungsmatrix vorgestellt und miteinander verglichen. Es stellt sich heraus, dass die direkte Berechnung der Vielteilchen-Mobilitätsmatrix zu unphysikalischen Artefakten führt, während die Vielteilchen-Reibungsmatrix diese Artefakte nicht zeigt. Darauf folgend wird unter Verwendung der Vielteilchen-Reibungsmatrix die Agglomerationsrate gleichnamig geladener Partikel in einer Suspension untersucht. Grundlage hierfür ist eine Computersimulation der Brownschen Dynamik. Es zeigt sich, dass die Agglomerationsrate im wesentlichen durch das Verhältnis der thermischen Energie und der Coulomb-Barriere zwischen den Partikeln bestimmt ist. Einen zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die detailierte Untersuchung der Agglomeration ungleichnamig geladener Partikel. Hierbei wird durch analytische Berechnungen und mit Hilfe einer Computersimulation untersucht, in welchem Ausmaß die elektrische Ladung der Partikel zu einer gezielten Agglomeration beiträgt. Eine mögliche Anwendung ist dabei die gezielte Beschichtung von Oberflächen mit Nanopartikeln.