Surface rheology of heterogeneous interfaces
Experimental Condensed Matter Physics
Final Report Abstract
Das Projekt beschäftigte sich mit Mikro Grenzflächenrheologie. Im Rahmen des Projektes haben wir fünf Arbeiten publiziert: Wir haben gezeigt, dass mit Hilfe von ca. 200 nm dicken und mehreren Mikrometer langen Nickelnaden, welche man an die Wasser Luft Grenzfläche bringt, die Oberflächenviskosität eines Filmes auf der Wasser Luft Grenzfläche aktiv gemessen werden kann und dass das Messverfahren einen Viskositätsbereich von 10 hoch -9 Nms < eta s < 10 hoch -5 < Nms hoch -1 abdeckt. Damit sind mikrorheologische Verfahren um drei Größenordnungen empfindlicher als komplementäre makrorheologischen Verfahren. Mit dem Verfahren haben wir die Oberflächenviskosität eines Albuminfilmes gemessen und dessen Alterung rheologisch charakterisiert. Komplementär zu aktiven mikrorheologischen Verfahren sind passive mikrorheologische Verfahren. Bei diesen wird die Brownsche Bewegung eines Tracer Partikels benutzt, um daraus auf rheologische Eigenschaften zurück zu schließen. Führt man diese Technik mit sphärischen Vesikeln durch, die in Phasen unterschiedlicher Lipidzusammensetzung entmischen, so kann man zweidimensionale Domänen in der Doppelschicht eines Vesikels für die Mikrorheologie nutzten. In unseren Arbeiten konnten wir zeigen, dass die Brownsche Bewegung einer Domäne in einem Vesikel die Superposition zweier Bewegungen, nämlich zum einen die Bewegung der Domäne in der Membran, zum anderen die Rotationsdiffusion des Gesamtvesikels, ist. Durch theoretische Rechnungen konnten wir zeigen, dass die Brownsche Bewegung nur signifikant von der Grenzflächenviskosität der Doppelschicht abhängt, wenn die charakteristische Saffmannlänge, die durch das Verhältnis der Grenzflächenviskosität zur Bulk Viskosität des Wassers definiert ist, zwischen dem Radius der Domäne und dem Radius des Vesikels liegt. Im Gegensatz zu anderen Auswertungen der Brownschen Bewegung in der Literatur kommen wir in Übereinstimmung mit anderen Verfahren zu dem Schluss, dass die Oberflächenviskosität von Vesikeln der Lipide Dioleoylphosphatidylcholine (DOPC), Dipalmytoylphosphatidylcholin (DPPC) und Cholesterol vernachlässigbare Oberflächenviskosität besitzen. Wir haben die oberflächenviskoelastischen Eigenschaften eines poly(tert-butyl-acrylate) Langmuir Monolayers an der Wasser Luft Grenzfläche studiert, indem die Brownsche Bewegung in den Monolayer eingebrachter Tracer Partikel unterschiedlichen Radius und Kontaktwinkels im gleichen Monolayer gemessen wurde. Oberflächenschermodule wurden aus der mittleren quadratischen Auslenkung mit Hilfe einer verallgemeinerten Stokes Einstein Relation extrahiert. Die Ergebnisse zeigen unabhängig vom Kontaktwinkel und Radius Werte der Grenzflächenviskosität des Polymers unabhängig von seiner Oberflächenkonzentration und vom Molekulargewicht, was in Übereinstimmung mit makrorheologischen Experimenten ist. Die Experimente belegen das Vorhandensein von Verschlaufungen des Polymermonolayers. Die mikrorheologisch bestimmten Werte der Oberflächenviskosität weichen allerdings von makrorheologischen Werten um Größenordnungen ab. Die Erklärung des Unterschieds wird Gegenstand von Folgeuntersuchungen sein. Ein auf ein Monolayer fokussierter Infrarotlaser kann zum lokalen Kollaps des Monolayers im Laser Fokus führen. Wir konnten einen neuen Kollapspfad eines lokal an die Fließgrenze gebrachten Monolayers beschreiben. Es wurde gezeigt dass der Mechanismus des lokalen Kollapses thermokapillarem Ursprungs ist und durch den lokalen Temperaturgradienten verursacht wird und dadurch Marangonispannungsgradienten in der Oberfläche bewirkt. Mit der Methode ist es möglich Fliessspannungsgrenzen verschiedener Monolayer unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung zu bestimmen. Ein kolloidaler Monolayer aus 100 nm Carboxyl funktionalisierter Polystyrol Partikeln an der Wasser Luft Grenzfläche assembliert zu Grenzflächenphasen unterschiedlicher Partikeldichten. Wir haben die oberflächenrheologischen Eigenschaften der koexistierenden Phasen mit dem in beschriebenen Magnetnadelviskosimeter gemessen. Obwohl die individuellen Phasen die Eigenschaften einer viskosen Flüssigkeit zeigen, reagieren die Texturen des Phasenkoexistenzgebietes elastisch. Wir erklären dieses Verhalten durch mikroskopisch nicht auflösbare Facetten der einen Phase die zu einem zweidimensionalen Schaum führt.
Publications
- Active interfacial shear microrheology of aging protein. Physical Review Letters, Vol. 104.2010: 016001.
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Saeedeh Aliaskarisohi, Pietro Tierno, Prajnaparamita Dhar, Ziad Khattari, Marek Blaszczynski, and Thomas M. Fischer
(See online at https://doi.org/10.1017/S0022112010000650) - Dilatational Yielding of Solid Langmuir Monolayers. Journal of physical Chemistry, B, Vol. 115. 2011, Issue 40, pp. 11631–11637.
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Armando Maestro, Laura J. Bonales, Hernan Ritacco, Thomas M. Fischer, Ramón G. Rubio, Francisco Ortega
(See online at https://dx.doi.org/10.1039/C1SM05225J) - Elastic Properties of Nanoparticle Monolayer Foams. Journal of physical Chemistry, B, Vol. 116. 2012, pp. 6439-6442.
U. Langer, A. Ray, S. Aliaskarisohi and Th. M. Fischer
(See online at https://doi.org/10.1021/jp301278j)
