Capped colloids as model systems for condensed matter
Capped colloids as model systems for condensed matter
Date
2008
Authors
Baraban, Larysa
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Bekappte Kolloide als Modellsysteme in der Kondensierten Materie
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Dissertation
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Abstract
Systeme untereinander wechselwirkender kolloidaler Partikel erwiesen sich als nützliches Mittel zur Modellierung vieler Phänomene der Festkörperphysik. Aufgrund der folgenden Vorteile eignen sie sich besonders als Modellsysteme der kondensierten Materie: (i) die Wechselwirkungsenergie der Partikel ist mit der Energieskala der thermischen Fluktuation vergleichbar; (ii) es besteht die Möglichkeit die Eigenschaften der Partikel wie zum Beispiel durch die Wahl unterschiedlicher Lösungsmittel zu verändern; (iii) der relativ einfache Aufbau der Experimente; (iv) die sphärische Symmetrie der Partikel, welche eine Vereinfachung der makroskopischen Modellierung der komplexen Wechselwirkung auf atomarer Skala ermöglicht.
Die vorliegende Arbeit ist in folgende Teile gegliedert: In Kapitel 1 wird die Verwendung kolloidaler Systeme zur Modellierung physikalischer Eigenschaften von Festkörpern zusammengefasst. Hier dient ein Ensemble der magnetischen Kolloide als Modellsystem zur Visualisierung von Phänomenen, die bei der Anordnung atomarer Spins in Kristallen, wie etwa Antiferromagnetismus oder geometrische Frustration, auftreten. Im Gegensatz zu der Anwendung in der Grundlagenphysik, widmet sich Kapitel 2 der praktischen Anwendung kolloidaler Systeme. Dabei wurde dem Gebiet sich in Flüssigkeiten selbstständig bewegender Nano- und Mikromotoren besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Diese Motoren könnten in Zukunft zu medizinischen Zwecken etwa dem Transport von Medikamenten dienen. Um die Idee der künstlichen Antriebe zu realisieren müssen jedoch noch einige wichtige Punkte, wie etwa eine kontrollierte und gerichtete Bewegung der Objekte auf langen Zeitskalen, einer näheren Betrachtung unterzogen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird auf die obigen Fragestellungen eingegangen. Dazu werden sogenannte "bekappte Kolloide" verwendet, welche künstlich erzeugte magnetische Eigenschaften besitzen. Die Herstellung und Manipulation solcher Partikel wird, ebenso wie die Technik zur Untersuchung ihrer magnetischen Eigenschaften in den Kapiteln 3 und 4 erläutert. Kapitel 5 beschreibt die Bildung planarer kolloidaler Cluster aus Kolloiden mit einer magnetischen Kappe aus Co/Pt Filmen. Dabei wird die Anordnung und Struktur der makroskopischen magnetischen Momente der Partikel in den Clustern durch die geometrische Frustration bestimmt. Zur Visualisierung der Richtung der einzelnen magnetischen Momente im Cluster wurde die Technik der Videomikroskopie verwendet. Dabei spielt der optische Kontrast, der während der Herstellung der magnetischen Kappen entsteht, eine entscheidende Rolle; siehe hierzu Kapitel 4. Durch die Erfüllung der Stabilitätskriterien bildet sich eine Reihe von Clustern mit "magischen Zahlen" heraus. Diese magischen Cluster sind dicht gepackt und kompensieren ihre magnetischen Momente und Chiralität.
Im Gegensatz zu den statischen Experimenten der Clusterbildung widmet sich Kapitel 6 Studien zur Dynamik bekappter Kolloide. Dort wird die Möglichkeit demonstriert eine kontrollierte und langreichweitige Bewegung der bekappten Kolloide durch eine lokale katalytische Reaktion zu erreichen. In den dort vorgestellten Experimenten wurde der Antrieb durch die Platzierung magnetische Kiolloide in einer Wasserstoffperoxidhaltigen Lösung unter Einwirkung eines schwachen Magnetfelds realisiert. Systeme aus katalytisch getriebenen Partikeln könnten als Modelle zum besseren Verständnis von Transportprozessen, besonders zu den moleculare Motoren in lebenden Zellen, beitragen. Weiterhin könnten diese voll kontrollierbaren Motoren weiterentwickelt werden, um etwa Mikroobjekte an die für sie vorgesehenen Stellen zu transportieren.
Die vorliegende Arbeit ist in folgende Teile gegliedert: In Kapitel 1 wird die Verwendung kolloidaler Systeme zur Modellierung physikalischer Eigenschaften von Festkörpern zusammengefasst. Hier dient ein Ensemble der magnetischen Kolloide als Modellsystem zur Visualisierung von Phänomenen, die bei der Anordnung atomarer Spins in Kristallen, wie etwa Antiferromagnetismus oder geometrische Frustration, auftreten. Im Gegensatz zu der Anwendung in der Grundlagenphysik, widmet sich Kapitel 2 der praktischen Anwendung kolloidaler Systeme. Dabei wurde dem Gebiet sich in Flüssigkeiten selbstständig bewegender Nano- und Mikromotoren besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Diese Motoren könnten in Zukunft zu medizinischen Zwecken etwa dem Transport von Medikamenten dienen. Um die Idee der künstlichen Antriebe zu realisieren müssen jedoch noch einige wichtige Punkte, wie etwa eine kontrollierte und gerichtete Bewegung der Objekte auf langen Zeitskalen, einer näheren Betrachtung unterzogen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird auf die obigen Fragestellungen eingegangen. Dazu werden sogenannte "bekappte Kolloide" verwendet, welche künstlich erzeugte magnetische Eigenschaften besitzen. Die Herstellung und Manipulation solcher Partikel wird, ebenso wie die Technik zur Untersuchung ihrer magnetischen Eigenschaften in den Kapiteln 3 und 4 erläutert. Kapitel 5 beschreibt die Bildung planarer kolloidaler Cluster aus Kolloiden mit einer magnetischen Kappe aus Co/Pt Filmen. Dabei wird die Anordnung und Struktur der makroskopischen magnetischen Momente der Partikel in den Clustern durch die geometrische Frustration bestimmt. Zur Visualisierung der Richtung der einzelnen magnetischen Momente im Cluster wurde die Technik der Videomikroskopie verwendet. Dabei spielt der optische Kontrast, der während der Herstellung der magnetischen Kappen entsteht, eine entscheidende Rolle; siehe hierzu Kapitel 4. Durch die Erfüllung der Stabilitätskriterien bildet sich eine Reihe von Clustern mit "magischen Zahlen" heraus. Diese magischen Cluster sind dicht gepackt und kompensieren ihre magnetischen Momente und Chiralität.
Im Gegensatz zu den statischen Experimenten der Clusterbildung widmet sich Kapitel 6 Studien zur Dynamik bekappter Kolloide. Dort wird die Möglichkeit demonstriert eine kontrollierte und langreichweitige Bewegung der bekappten Kolloide durch eine lokale katalytische Reaktion zu erreichen. In den dort vorgestellten Experimenten wurde der Antrieb durch die Platzierung magnetische Kiolloide in einer Wasserstoffperoxidhaltigen Lösung unter Einwirkung eines schwachen Magnetfelds realisiert. Systeme aus katalytisch getriebenen Partikeln könnten als Modelle zum besseren Verständnis von Transportprozessen, besonders zu den moleculare Motoren in lebenden Zellen, beitragen. Weiterhin könnten diese voll kontrollierbaren Motoren weiterentwickelt werden, um etwa Mikroobjekte an die für sie vorgesehenen Stellen zu transportieren.
Summary in another language
Ensembles of interacting colloidal particles have proven to be a suitable tool for macroscopic modelling of various phenomena of solid state physics. The main advantages of colloidal systems which enable them as model systems for condensed matter are the following: (i) the energy scale of the interactions between the particles is of the same order of magnitude as the energy of the thermal fluctuations; (ii) the possibility to tune the properties of the particles using, for example, various solvents; (iii) the relative simplicity of the experiments; (iv) the spherical symmetry of the particles, allowing to simplify the macroscopic modeling of complex interactions observed on the atomic scale.
The plan of the thesis is as follows. Applications of colloidal systems for modeling the physical properties of solids are summarized in Chapter 1. Thus, an ensemble of colloidal magnetic particles is suggested as a model allowing us to visualize phenomena governed by the ordering of atomic spins in crystals, like antiferromagnetism, geometric frustration, etc. In contrast, Chapter 2 is dedicated to practical applications of colloidal systems. A special focus is on the topic of synthetic nano- and micro-engines, which perform autonomous motion in a liquid solution. In future, these artificial devices can be used in medicine, for example, for the purposes of drug delivery. However, in order to realize the concept of artificial engines, a number of important issues have to be addressed, i.e. the achievement of the controllable and directed motion of the micro-objects at long-time scales. The outlined questions are approached in the scope of the present work, using so-called 'capped' colloids with artificially designed magnetic properties. The procedures of fabrication of the capped colloids with permanent magnetic moments and also the techniques for the magnetic characterization and manipulation of the particles are given in Chapters 3 and 4.
The formation of planar colloidal clusters consisting of colloidal particles capped with magnetic Co/Pt films is described in Chapter 5. The structure and arrangements of macroscopic magnetic moments of particles in the clusters are imposed by geometric frustration. The direction of every magnetic moment in the cluster was visualized by means of videomicroscopy using the sharp optical contrast which is formed during fabrication of capped colloids (Chapter 4). By satisfying the criteria of stability, a series of 'magic number' clusters is formed. The magic clusters are close-packed and have compensated magnetic moments and chirality.
Unlike the static experiments on the cluster formation, studies of the dynamics in the system of the capped colloids are presented in Chapter 6. The possibility to explore a long-range controlled movement of capped colloids, which is induced by a local catalytic reaction, is demonstrated. In these experiments directed propulsion was achieved by placing magnetic capped colloids in a hydrogen peroxide solution at weak magnetic fields. Therefore the system of catalytically driven particles might be suggested as a model to better understand the driving processes peculiar to the molecular engines in living cells. Moreover, these fully controlled artificial motors can be further developed to be used, for example, for the targeted delivery of micro-objects to the relevant places.
The plan of the thesis is as follows. Applications of colloidal systems for modeling the physical properties of solids are summarized in Chapter 1. Thus, an ensemble of colloidal magnetic particles is suggested as a model allowing us to visualize phenomena governed by the ordering of atomic spins in crystals, like antiferromagnetism, geometric frustration, etc. In contrast, Chapter 2 is dedicated to practical applications of colloidal systems. A special focus is on the topic of synthetic nano- and micro-engines, which perform autonomous motion in a liquid solution. In future, these artificial devices can be used in medicine, for example, for the purposes of drug delivery. However, in order to realize the concept of artificial engines, a number of important issues have to be addressed, i.e. the achievement of the controllable and directed motion of the micro-objects at long-time scales. The outlined questions are approached in the scope of the present work, using so-called 'capped' colloids with artificially designed magnetic properties. The procedures of fabrication of the capped colloids with permanent magnetic moments and also the techniques for the magnetic characterization and manipulation of the particles are given in Chapters 3 and 4.
The formation of planar colloidal clusters consisting of colloidal particles capped with magnetic Co/Pt films is described in Chapter 5. The structure and arrangements of macroscopic magnetic moments of particles in the clusters are imposed by geometric frustration. The direction of every magnetic moment in the cluster was visualized by means of videomicroscopy using the sharp optical contrast which is formed during fabrication of capped colloids (Chapter 4). By satisfying the criteria of stability, a series of 'magic number' clusters is formed. The magic clusters are close-packed and have compensated magnetic moments and chirality.
Unlike the static experiments on the cluster formation, studies of the dynamics in the system of the capped colloids are presented in Chapter 6. The possibility to explore a long-range controlled movement of capped colloids, which is induced by a local catalytic reaction, is demonstrated. In these experiments directed propulsion was achieved by placing magnetic capped colloids in a hydrogen peroxide solution at weak magnetic fields. Therefore the system of catalytically driven particles might be suggested as a model to better understand the driving processes peculiar to the molecular engines in living cells. Moreover, these fully controlled artificial motors can be further developed to be used, for example, for the targeted delivery of micro-objects to the relevant places.
Subject (DDC)
530 Physics
Keywords
Magnetteilchen,Magnetooptik,magnetisches Dipolmoment,Co/Pt Multischichten,Faraday-Effekt,magische Cluster,synthetische Mikromotoren,Magnetic particles,magnetic dipole moment,Co/Pt multilayer,Faraday-Effect,magic cluster,synthetic micromotors,magnetooptics
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Review
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Cite This
ISO 690
BARABAN, Larysa, 2008. Capped colloids as model systems for condensed matter [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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Examination date of dissertation
December 12, 2008