Een colloïdale suspensie is een mengeling waarin microscopische of nanoscopische deeltjes verspreid zijn doorheen een vloeistof. Melk is een colloïdale suspensie van vetdruppels in water en printer inkt is een colloïdale
suspensie van vaste inkt partikels in olie. Een belangrijke eigenschap van colloïdale suspensies is hun stabiliteit. De stabiliteit van een colloïdale suspensie kan in het gedrang komen door zowel aggregatie als sedimentatie.
Dit komt voor wanneer aantrekkende inter-deeltjes krachten het winnen van afstotende inter-deeltjes krachten. Een veelgebruikte wijze om aggregatie te voorkomen bestaat uit het verhogen van de afstotende inter-deeltjes krachten door de elektrische lading van de deeltjes te laten toenemen.
Coulomb krachten verhinderen de deeltjes dan om contact te maken met elkaar of met het substraat. Elektrische fenomenen vormen een fundamenteel aspect van colloïdale
suspensies en deze zijn reeds goed begrepen in waterachtige systemen.
Hetzelfde kan niet gezegd worden van colloïdale suspensies in olieachtige vloeistoffen. Het verschillend gedrag tussen waterachtige en olieachtige systemen is vooral te wijten aan hun sterk verschillende relatieve diëlektrische constanten. Door zijn hoge relative diëlektrische constante (2 r H O ,= 80) is water een geschikt medium voor ionen. Olieachtige vloeistoffen zoals n-dodecaan (12 26 r C H ,= 2) daarentegen zijn dat niet.
Vloeistoffen met een hoge diëlektrische constante heten polaire vloeistoffen en vloeistoffen met een lage diëlektrische constante heten niet-polaire vloeistoffen. Ten gevolge van hun lage diëletrische constante reiken elektrostatische interacties in niet-polaire vloeistoffen veel verder dan in polaire vloeistoffen, waardoor ionen in niet-polaire vloeistoffen een grotere
waarschijnlijkheid hebben om elkaar te neutraliseren. Colloïdale deeltjes in niet-polaire vloeistoffen zijn gewoonlijk niet sterk genoeg geladen om elkaar af te stoten, waardoor ze aggregeren of sedimenteren.
Er bestaan chemische substanties die, wanneer ze toegevoegd worden aan niet-polaire vloeistoffen, ervoor zorgen dat de colloïdale deeltjes sterk geladen worden. Deze chemische substanties heten tensiden. Ze bestaan
gewoonlijk uit polaire kopstukken gekoppeld aan een lange niet-polaire staart. Boven een zekere concentratie vormen tensiden sferische structuren, inverse micellen genoemd, waarin de polaire kopstukken naar binnen wijzen
en de niet-polaire staarten naar de vloeistof toe wijzen. Deze concentratie heet de kitische micelle concentratie.
Het mechanisme waardoor deeltjes in niet-polaire vloeistoffen geladen worden is echter nog steeds het onderwerp van hevig debat en van wetenschappelijke studies. Verscheidene mogelijke tenside gerelateerde ladingsmechanismen zijn reeds voorgesteld en in het geval van enkele specifieke deeltje-vloeistof-tenside systemen is het reeds bepaald welk
ladingsmechanisme het dominante is. Het is echter tot op heden vaak onmogelijk om op voorhand uit te maken welk mechanisme het dominante zal zijn voor een gegeven colloïdaal systeem. Dit is deels te wijten aan de complexiteit van landingsprocessen in tenside-verrijkte systemen, maar
eveneens aan het beperkte bereik van de huidige meettechnieken die we ter beschikking hebben.
Optische-val-gecontroleerde elektroforese blijft tot op heden de enige experimentele techiek waarvan aangetoond is dat ze in staat is om de elektrische lading van een colloïdaal deeltje te meten met een precisie zodanig dat elementaire ladingsstappen gemeten kunnen worden zonder dat er daarop tijdsrestricties heersen. De eigenschap om elementaire
landingsstappen te detecteren opent een nieuw perspectief op de studie van ladingsfenomenen in niet-polaire vloeistoffen. In voorafgaand werk werd aangetoond dat optische-val-gecontroleerde elektroforese elementaire landingsstappen kan detecteren op individuele deeltjes in zuivere, nietpolaire vloeistoffen. Het opzet van dit werk is om deze techniek te
verbeteren, zodanig dat elementaire ladingsstappen van deeltjes gedetecteerd kunnen worden in niet-polaire vloeistoffen die verrijkt zijn met tensiden. Een belangrijke mijlpaal is elementaire ladingsdetectie in vloeistoffen met een concentratie aan tensiden boven de kritische micelle
concentratie.
Om dat doel te bereiken heb ik aan alle niveaus van de techniek gesleuteld.
Ik heb de microfluïdische cel waarin de suspensies onderzocht worden opnieuw ontworpen. De huidige cel bestaat uit twee glasplaten die bedekt zijn met ITO elektroden. Het elektrische veld staat nu dwars op het vloeistofsubstraat interface, zodat vloeistofstromingen, veroorzaakt door een elektrisch veld, vermeden worden. Een tweede voordeel aan deze cellen is
dat ze gemaakt worden in de cleanroom, zodat contaminatie
geminimaliseerd wordt. Ik heb ook een alignatie protocol opgesteld dat dient uitgevoerd te worden voorafgaand aan elke meting. Ten laatste, heb ik de bestaande analyse procedure verder uitgediept, zodat de elementaire stappen in de experimentele data correct gedetecteerd kunnen worden.
Eerst heb ik PHSA-bedekte PMMA deeltjes van micrometer grootte bestudeerd in dodecaan zonder surfactant. Experimenten toonden aan dat de lading van zo’n deeltje niet stabiel was over de tijd, maar toenam in positieve oppervlaktelading. Geconfronteerd met dit niet-geanticipeerde
ladingsgedrag heb ik onderzocht wat de invloed is op de ladingssnelheid van factoren zoals de amplitude en de frequentie van het elektrische veld, de diameter van het deeltje, het elektrodemateriaal, de afwezigheid van een AC
elektrisch veld en de aanwezigheid van een DC elektrisch veld. Ook onderzocht ik de saturatie van dit proces over lange termijn. Tesamen leidde deze set aan experimenten mij ertoe te besluiten dat de deeltjes negatieve ionen afstoten onder de invloed van het elektrische veld.
Daarna heb ik bestudeerd hoe het ladingsproces verandert wanneer een tenside toegevoegd wordt. In dit werk heb ik exclusief gewerkt met tenside OLOA 11000. Door het opleggen van een DC spanning van 1 V, ben ik erin
geslaagd om het bereik van optische-val-gecontroleerde elektroforese waarin het elementaire ladingsstappen kan detecteren uit te breiden naar een tenside concentratie van 0.05 wt%, hetgeen een factor 10 boven de kritische micelle concentratie van OLOA 11000 in dodecaan ligt. Dit is het
eerste experimentele werk waarin elementaire ladingsstappen in tenside verreikte colloïdale systemen zijn waargenomen. Eén reden waardoor het aanleggen van een DC spanning hierbij helpt, is omdat het alle ionen uit de bulk van de vloeistof verwijdert. De aanwezigheid van ionen dempt immers de oscillerende beweging van een deeltje in een AC elektrisch veld. In deze omstandigheden toonde ik aan dat het deeltje zijn ladingssnelheid toeneemt met toenemende concentraties aan tenside. Rond de kritische micelle concentratie stabiliseert de elektrische lading van het deeltje en fluctueert ze rond een vaste, gemiddelde waarde.
Als besluit kan ik stellen dat ik het concentratie bereik van optische-valgecontroleerde electrophorese waarin een deeltje zijn lading met een resolutie van minder dan één elementaire lading gemeten kan worden uitgebreid en dus het bereik waarin elementaire op- en ontladingen kunnen worden waargenomen uitgebreid. Ik heb getoond hoe de techniek kan ingezet worden om nieuwe inzichten te verwerven over de landingsmechanismen van colloïdale deeltjes in zowel zuivere niet-polaire vloeistoffen als in niet-polaire vloeistoffen die verrijkt zijn met tensiden in concentraties boven de kritische micelle concentratie.