Universität zu Köln

Lüsebrink, Daniel (2011). Colloidal Suspensions in Temperature Gradients with Mesoscopic Simulations. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Kurzzusammenfassung Ein Temperaturgradient in einem fluiden System erzeugt nicht nur einen Wärme- sondern auch einen Massenstrom. Dieser induzierte Massentransport ist bekannt als Thermodiffusion bzw. Soret-Effekt. Der Effekt wurde vor etwas mehr als 150 Jahren in Natriumsulfatlösungen entdeckt. Dabei wurde bei ungleichmässiger Erwärmung eine Erhöhung der Salzkonzentration auf der kalten Seite beobachtet und es wurde erkannt, dass dieser Vorgang durch Diffusion verursacht wird. Dieser Nicht-Gleichgewichtseffekt wird durch den Soret-Koeffizienten beschrieben, welcher phänomenologisch definiert ist als das Verhältnis der durch Temperaturgradienten und Konzentrationsgradienten verursachten Massenströme. Unterschiedliche Substanzen können zur kalten oder warmen Seite driften und Gemische können höhere Konzentrationen auf einer der beiden Seiten aufweisen. Eine allgemeine theoretische Beschreibung mit quantitativen Vorhersagen des Soret-Koeffizienten in flüssigen Systemen oder komplexen Fluiden war bisher noch nicht möglich und wird derzeit stark diskutiert. Industrielle Anwendungen der Thermodiffusion reichen von Rohölraffinierung bis hin zu Mikrofluidanwendungen wie DNA-Sequenzierung. In dieser Arbeit untersuchen wir Thermodiffusion in Kolloidlösungen, auch als Thermophorese bekannt. Kolloide umfassen eine große Klasse von Partikeln oder Makromolekülen, welche klein genug sind, um im Lösungsmittel zu diffundieren und andererseits groß genug sind, um die Trägerflüssigkeit als kontinuierliches Medium zu erfahren. Beispiele für Kolloide sind sphärische Partikel, Polymere, Proteine oder Vesikel, wie sie in einer Vielzahl biologischer und technischer Anwendungen vorkommen. Das Verhalten von Kolloidlösungen in einem Temperaturgradienten ist eine besondere Herausforderung auf Grund des reichen Spektrums an möglichen Wechselwirkungen zwischen Kolloidteilchen bzw. Kolloiden und dem Lösungsmittel, welche einen großen Einfluss auf die thermophoretischen Eigenschaften haben. Unsere Forschungsarbeit basiert auf einer mesoskopischen, state-of-the-art Simulationsmethode, bekannt als Multi-Particle Collision dynamics (MPC). Bei dieser Methode sind die Masse, der Impuls und die Energie lokal erhalten. Zudem beinhaltet die Methode thermische Fluktuationen. Daher werden hydrodynamischeWechselwirkungen, Temperaturinhomogenitäten und Diffusion korrekt beschrieben. Wir haben zunächst die Eigenschaften des MPC-Fluids unter Einbeziehung von Temperaturgradienten untersucht. Dabei wurden sowohl periodische Randbedinungen, als auch Systeme mit harten Wände untersucht. Liegen die Simulationsparameter in einem zur Beschreibung von Flüssigkeiten geeignetem Bereich, stellt sich zwischen den an den Systemgrenzen vorgegebenen Temperaturen ein lineares Temperaturprofil ein. Die dabei gemessene Wärmeleitung stimmt mit analytischen Ausdrücken ¨uberein. Das thermophoretische Verhalten von Kolloidlösungen hat zwei hauptsächliche Beiträge: dies sind kollektive Einflüsse und Beiträge die von den Eigenschaften der einzelnen Kolloide abhängen. Die kollektiven Einflüsse haben wir in konzentrierten Lösungen im Hinblick auf unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen den Kolloiden untersucht. Die Konzentrationsabhängigkeit des Soret-Koeffizienten in unseren Simulationen stimmt qualitativ mit experimentellen Ergebissen überein. Mit zunehmender Konzentration der Lösung sind die Kolloide effektiv höher auf der warmen Seite des Systems konzentriert. Zudem zeigt sich, dass sich die Kolloide mit zunehmender attraktiver Wechselwirkung zwischen den Kolloiden effektiver auf der kalten Seite akkumulieren. Dies gilt sowohl für stärkere, als auch für langreichweitigere attraktive Wechselwirkungen. Effekte, die durch die Eigenschaften der einzelnen Kolloide beeinflusst werden, haben wir in verdünnten Lösungen untersucht. Dabei haben wir die Wechselwirkungen zwischen Kolloiden und Lösungsmittel variiert. Bei repulsiven Wechselwirkungen diffundieren die Kolloide zur warmen Seite, wobei dieser Effekt mit zunehmender Temperatur der Lösung schwächer wird. Bei attraktiven Wechselwirkungen diffundieren die Kolloide bei niedriger Lösungstemperatur zur kalten Seite. Überschreitet die Temperatur einen gewissen Wert, ändert sich die Diffusionsrichtung und die Kolloide bewegen sich zur warmen Seite. Unsere Simulationsbefunde stimmen qualitativ mit denen durch eine theoretische Beschreibung gewonnenen Ergebnisse überein. Vergleiche mit Experimenten zeigen z.T. tendenzielle Übereinstimmungen, jedoch sind die Ursachen für die auftretenden Abweichungen zwischen Simulationen und Experimenten noch zu klären.