Rheological properties of vesicles and microcapsules: Flow-induced rotations, oscillations, tumbling motions, deformations, orientations, membrane folding processes and rupture.
Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
Final Report Abstract
In dieser Arbeit konnten unterschiedliche Kapselmodellsysteme hergestellt und rheologisch untersucht werden. Die Charakterisierung der Kapseln und Membranen erfolgte dabei über verschiedene Messmethoden: (i) Optische Strömungszelle, (ii) Spinning-Drop-Methode, (iii) Pendant-Drop-Methode und (iiii) Scherrheologie an ebenen Membranen. Die daraus ermittelten Elastizitäts- und Schermoduln wurden miteinander verglichen und dienten zur Quantifizierung der Stabilitätseigenschaften der unterschiedlichen Stoffsysteme. Die rheologischen Eigenschaften der Membranen hingen von der Art der Netzwerke, der Konzentration der Monomere, Polymere und Vernetzer, der Polymerisationszeit und der Zusammensetzung der Wasser- und Ölphasen ab. Über die Variation dieser Parameter konnte das gewünschte Modellsystem gezielt entwickelt werden. Eine Mikrofluidik-Apparatur ermöglichte die Herstellung monodisperser Kapseln. Die Deformations- und Orientierungseigenschaften der Kapseln im laminaren Scherfeld konnten mithilfe der optischen Strömungszelle ermittelt werden. Es wurden erstmals grundlegende Unterschiede zwischen quasi-sphärischen und nicht-sphärischen Kapseln beobachtet. Während eine sphärische Kapsel, ausgehend von einem idealen Orientierungswinkel von 45°, sich mit zunehmender Scherrate immer weiter in Richtung der Strömungslinien neigte, zeigte eine nicht-sphärische Kapsel Taumel- und Schwingungsbewegungen. Die begleitende Membranrotation fand in beiden Fällen statt. Die Art des Kapselbruchs war von der Grundform des Partikels, aber auch vom E-Modul und dem Viskositätsverhältnis zwischen innerer und äußerer Phase abhängig. Der Bruch bei sphärischen Kapseln mit relativ hohem E-Modul erfolgte durch eine Ausbildung von Spitzen (Polysiloxankapseln) oder er trat, wie bei Chitosankapseln, gar nicht auf. Bei nicht-sphärischen Kapseln wurde zunächst eine sprunghaft ansteigende Deformation zu einem Ellipsoid beobachtet, der eine Abschnürung der Kapsel an einem Ende folgte. Für Kapseln mit niedrigem E-Modul verhielt es sich ähnlich. Sie wurden allmählich zu einem Ellipsoid deformiert. In Abhängigkeit des Viskositätsverhältnisses teilte sich die Kapsel entweder am Ende oder in der Mitte. Derartige Phänomene sind, in ähnlicher Weise, auch von Emulsionen bekannt. Die Untersuchung der scherinduzierten Deformation von Vesikeln im Strömungsfeld war bisher noch nicht möglich. Aufgrund des dafür nötigen Dichteangleichs wurden die Vesikel instabil. Hier muss noch ein geeignetes System gefunden werden. Diese Ergebnisse dieser Arbeit zeigen im Vergleich zur Theorie gute Übereinstimmungen. Die Ähnlichkeit der Orientierungsdynamik der Kapseln und der Erythrozyten weist darauf hin, dass sich die vorgestellten Kapseln auch gut als Modellsysteme für biologische Zellen eignen.
Publications
- Wrinkling, tumbling and swinging microcapsules in simple shear flow, AIP Conference Proceedings, 2014, 1593, 746-749
Unverfehrt, A., Koleva, I., Rehage, H.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4873884) - Deformation, orientation and bursting of microcapsules in simple shear flow: Wrinkling processes, tumbling and swinging motions, Journal of Physics: Conference Series, 2015, 602(1), 012002
Unverfehrt, A., Koleva, I., Rehage, H.
- Deformation, orientation and bursting of microcapsules in simple shear flow: Wrinkling processes, tumbling and swinging motions, Procedia IUTAM, 2015, 16, 12-21
Unverfehrt, A., Rehage, H.
(See online at https://doi.org/10.1088/1742-6596/602/1/012002)
