Tan, Zihan (2018). Thermophoretic Transport in Dispersions of Asymmetric Colloids and Microchannels. PhD thesis, Universität zu Köln and Forschungszentrum Jülich.

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Abstract

Temperature gradients trigged force on colloid (or fluid) is referred to as thermophoretic (thermoosmotic) force. This driven mechanism offers rich transport phenomena out of thermodynamic equilibrium. With a mesoscale hydrodynamic simulations method, this thesis focuses on thermophoretic response of colloids with geometric and compositional asymmetries, and their resulting net flows, from both fundamental mechanism and application viewpoints. Firstly, combined analytical theory and simulation, we study thermophoretic / diffusiophoretic flows and forces, and related finite size effects for spherical colloids. Local quantities such as slip flow and associated local pressure at the solid-liquid boundary layer are obtained which explicitly explain the microscopic mechanisms of thermophoresis. Then, we exploit how the particle shape influences thermophoresis. The elongated colloids exhibit an orientation dependent thermophoretic response, i.e., the anisotropic thermophoresis. We introduce a linear decomposition scheme to show and understand this anisotropic phenomenon. Quite contradictory from anisotropic friction, we realize that the thermophoretic force of a rod oriented with the temperature gradient can be larger or smaller than when oriented perpendicular to it. This transition depends not only on the geometric details of the surface, also on the colloid-solvent interaction. Then the dependence on the rod aspect ratio is studied. Later, we move our attention to the heterodimer composed of two beads with different thermophoretic properties. The resulting alignment is linearly dependent on temperature gradient and strongly relies on the size ratio. Additionally, the interacting heterodimers in a confined slit with walls are investigated in the presence of a temperature gradient. The colloids first align to the gradient due to thermophoretic torques, then accumulate at the wall. We observed the exponential decay of both positional and orientation order as the distance to the accumulation walls increases. This is reminiscent of "sedimentation-diffusion equilibrium" phenomenon. Hydrodynamic interaction in the case of phoretic heterodimers seems to be of importance when colloids are close to the wall. With an application perspective, we propose two types of micropumps which use thermophoresis as surface forcing mechanism, but with different symmetry breaking by incorporating obstacles in the middle of the microchannel. In the first micropump, the temperature gradient is applied perpendicular to the channel walls; and elongated obstacles are fixed and tilted to the gradient. This geometric asymmetry and thermophoresis enable fluid to flow along the channel. The resulting flow patterns, the magnitude, and direction of the net flux density rely on the channel geometric parameters. The flow strength, path, and direction can be tunned by the length, rugosity, and thermophobic/thermophilic properties of the obstacles. The net flow flux for obstacles with various interfacial properties can be captured by anisotropic thermophoresis. The second micropump uses fixed, metallic / non-metallic compositional obstacles aligned with the channel walls. By laser illumination, temperature gradient can be established due to the higher heat absorption in the metallic composition, which consequently leads to a net flow flux. The resultant far field flow resembles Poiseuille flow. Its pumping capability strongly depends on the length of the non-metallic part as well as the inter-separation distance of the obstacles but is only slightly dependent on the channel width. Finally, a comparison of the pumping capability between different phoretic pumps is made.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated title:
TitleLanguage
非对称性胶体溶液和微通道中的热泳传输Chinese
Translated abstract:
AbstractLanguage
Eine Kraft, welche durch einen Temperaturgradienten auf ein Kolloid oder eine Flüssigkeit ausgeübt wird, bezeichnet man als thermophoretische (thermoosmotische) Kraft. Dieser getriebene Mechanismus bietet vielfältige Transportphänomene im thermodynamischen Nichtgleichgeweicht. Diese Arbeit verwendet mesoskalige hydrodynamische Simulationen, um dieses Phänomen zu studieren. Der Fokus der Arbeit liegt auf der thermophoretis- che Reaktion des Kolloids, dessen Asymmetrie und Struktur systematisch verändert wird. Der resultierenden Nettofluss, der zugrundeliegende Mechanismus und dessen Anwendungen werden diskutiert. Zunächst untersuchen wir sowohl mittels analytischer Theorien als auch mit Simulationen thermophoretische/diffusiophoretische Flüsse und Kräfte sowie Auswirkungen für sphärische Kolloide und bestimmen den Einfluss der endlichen Abmessungen der untersuchten Systeme. Lokale Größen wie der Schlupffluss und der zugehörige lokale Druck an der Festkörper-Flüssigkeits-Grenzschicht werden berechnet und verwendet, um den mikroskopischen Mechanismus der Thermophorese explizit zu erklären. Darauffol- gend bestimmen wir den Einfluss der Teilchenform auf die Thermophorese. Die gestreck- ten Kolloide zeigen eine orientierungsabhängige thermophoretische Reaktion, welche als anisotrope Thermophorese bezeichnet wird. Wir führen ein lineares Zerlegungsschema ein, um das anisotrope Phänomen zu illustrieren und zu verstehen. Im Gegensatz zur anisotropen Reibung, erkennen wir, dass die thermophoretische Kraft eines in Richtung des Temperaturgradienten orientierten Stabes größer oder kleiner sein kann als die der senkrechten Orientierung. Dieser Übergang hängt nicht nur von den geometrischen Details der Oberfläche ab, sondern ebenfalls von der Kolloid-Lösungsmittel Wechselwirkung. Danach wird die Abhängigkeit des Längen- zu Dicken-Verhältnisses erforscht. Später wenden wir unsere Aufmerksamkeit den Hetero-Dimeren zu. Diese sind aus zwei Monomeren mit unterschiedlichen thermophoretischen Eigenschaften zusammengesetzt. Die resultierende Ausrichtung ist linear abhängig vom Temperaturgradienten und wird stark durch das Größenverhältnis beeinflusst. Im Weiteren werden wechselwirkenden Het- erodimere in einem Spalt in der Anwesenheit eines Temperaturgradienten untersucht. Die Kolloide richten sich zuerst aufgrund des thermophoretischen Drehmomentes zum Gradienten aus und lagern sich dann an einer Wand des Spaltes an. Wir beobachteten den exponentiellen Abfall der Positions- und Orientierungsordnung mit zunehmendem Abstand zu dieser Wand. Dies erinnert an ein Sedimentation-Diffusionsgleichgewicht. Hydrodynamische Wechselwirkungen scheinen eine große Bedeutung für die phoretischen Heterodimere zu haben, wenn die Kolloide sich in der Nähe von Wänden befinden. In Hinblick auf mögliche Anwendungen schlagen wir zwei Typen von Mikropumpen vor, die Thermophorese als den Oberflächen als Antriebsmechanismus nutzen. Hierzu wer- den verschiedene die Symmetrie brechende Hindernisse in der Mitte des Kanals positioniert. Bei der ersten Mikropumpe wird der Temperaturgradient senkrecht zu den Kanalwänden angelegt und gestreckte Hindernisse werden lokal fixiert und zum Gradienten geneigt. Diese geometrische Asymmetrie und die Thermophorese ermöglichen es der Flüssigkeit am Kanal entlang zu fließen. Die resultierenden Strömungsmuster, die Stärke und die Richtung der Nettostromdichte hängen von den geometrischen Kanalparametern ab. Die Stromflussstärke, der Strompfad und die Stromrichtung können durch die Länge, Rauheit und die thermophobischen/thermophilen Eigenschaften der Hindernisse angepasst werden. Der Nettostromfluss für Hindernisse mit verschiedenen Grenzflächeneigenschaften kann durch die anisotrope Thermophorese bestimmt werden. Die zweite Mikropumpe verwendet räumlich fixierte Metall-Nichtmetall Verbindungen als Hindernisse, welche zu den Kanalwänden ausgerichtet sind. Durch Laserbeleuchtung entsteht ein Temperaturgradient aufgrund der höheren Wärmeabsorption des metallischen Endes der heterogenen Verbindungen, der zu einem Nettostromfluss führt. Der resultierende Fernfeldfluss ähnelt dem Poiseuille-Fluss. Die Pumpleistung hängt stark von der Länge der nicht - metallischen Anteile sowie dem Abstand zwischen den Hindernissen ab - je- doch nur geringfügig von der Kanalbreite. Zum Abschluss stellen wir eine genauere über- sicht und den Vergleich der Pumpleistungen zwischen den verschiedenen phoretischen Pumpen vor.German
Creators:
CreatorsEmailORCID
Tan, Zihanz.tan@fz-juelich.deUNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-82564
Subjects: Physics
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
Thermophoresis, Asymmetric Colloids, Thermoosmotic microfluidics, Collective Behavior, HydrodynamicsEnglish
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Institute for Theoretical Physics
Language: English
Date: 19 February 2018
Date of oral exam: 12 April 2018
Referee:
NameAcademic Title
Gompper, GerhardProf. Dr.
Wiegand, SimoneProf. Dr.
Ripoll, MarisolDr.
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8257

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  • Thermophoretic Transport in Dispersions of Asymmetric Colloids and Microchannels. (deposited 06 Jun 2018 14:40) [Currently Displayed]

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