Per citar aquest document: http://ddd.uab.cat/record/111673
Statistical mechanics of superparamagnetic colloidal dispersions under magnetic fields / by Jordi Andreu Segura ; under the supervision of: Jordi Faraudo Gener, Juan Camacho Castro
Andreu Segura, Jordi
Faraudo Gener, Jordi, dir. (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física)
Camacho Castro, Juan, dir. (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física)
Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física

Publicació: [Barcelona] : Universitat Autònoma de Barcelona, 2013
Descripció: 1 recurs electrònic (166 p.)
Resum: Les dispersions col·loïdals, un terme encunyat pel científic escocès Thomas Graham el 1861, han estat objecte d'interès en diferents àrees científiques durant més d'un segle. Una dispersió col·loïdal es caracteritza per l'existència d'una fase dispersa uniformement distribuïda dins un medi dispersiu. Diferents compostos entren dins aquesta categoria, com els aerosols (fum, boira, núvols o pols), les escumes, les emulsions (maionesa o llet) o els gels (mantega o melmelada). Les millores recents en la síntesi de partícules i l'estabilitat col·loïdal han impulsat la millora en el disseny de nous col·loides, conferint-los les propietats requerides en cada aplicació. Entre la gran varietat de dispersions col·loïdals (existents en la naturalesa o dissenyades per l'home), hem estudiat un tipus singular de dispersions on les partícules col·loïdals mostren un comportament superparamagnetic anomenades dispersions col·loïdals superparamagnètiques. En aquestes dispersions, sorgeixen característiques sorprenents quan un camp magnètic extern és aplicat, com a conseqüència del balanç entre les interaccions característiques entre col·loides i la interacció magnètica anisotròpica dipol-dipol entre les partícules col·loïdals constituents. Al llarg d'aquesta tesi s'ha utilitzat diferents models teòrics i de simulació per tractar diferents fenòmens que apareixen en aquestes dispersions col·loïdals superparamagnètiques. Per una banda, hem mostrat com l'aplicació de camps magnètics uniformes a aquestes dispersions indueix l'agregació reversible de les partícules superparamagnètiques. A la vista dels models teòrics i simulacions, hem proposat un nou criteri basat en les propietats físiques de les dispersions col·loïdals per predir la formació d'agregats, i la seva validesa s'ha discutit comparant el comportament predit amb resultats experimentals. Hem aportat evidencies de la existència d'un estat d'equilibri on els agregats assoleixen una distribució de mides estable, un fet ja suggerit amb anterioritat però establert sense prou claredat. També ens hem centrat en la descripció de la cinètica de creixement d'aquests agregats i en la seva implicació en diferents fenòmens observats experimentalment. La necessitat d'assolir escales de temps grans, com en certes situacions experimentals, ha motivat el desenvolupament de nous models i estratègies de simulació per reduir els temps de càlcul requerits en simulacions estàndard. Hem presentat un nou model de simulació que proporciona un mètode fiable i més ràpid per descriure la formació d'estructures en forma de cadena que apareixen en dispersions superparamagnètiques. El model ha estat validat comparant-ne els resultats obtinguts amb altres resultats de simulacions estàndard de Dinàmica de Langevin i s'ha aplicat a situacions experimentals, com ara el temps de relaxació T2 dels protons en solucions aquoses de nanopartícules superparamagnètiques. Mencionar també que aquest model de simulació ha estat implementat i el corresponent programari s'ha posat a disposició de la comunitat científica de forma gratuïta, concebut com una eina de simulació que pot ser ampliada fàcilment per resoldre altres problemes d'interès. Per altra banda, també hem discutit diferents efectes que sorgeixen com a conseqüència de l'aplicació de camps magnètics inhomogenis a aquestes dispersions superparamagnètiques. En concret, hem estudiat el moviment de les partícules magnètiques disperses en fluids a través de camps magnètics inhomogenis, el que es coneix com magnetoforesi. Per a tal efecte, hem centrat els esforços en la descripció de la separació magnètica de col·loides mitjançant l'aplicació de gradients de camp magnètic uniformes, des de dispersions superparamagnètiques a mescles de col·loides amb diferent resposta magnètica. Hem validat aquests models teòrics comparant-los amb simulacions per ordinador i n'hem discutit la seva utilitat comparant-ne les prediccions amb resultats experimentals. L'anàlisi racional d'aquests resultats proporciona un marc idoni per a millorar el disseny i el rendiment de diferents separadors magnètics, així com plantejar noves estratègies de separació, com per exemple la separació cooperativa en dispersions superparamagnètiques. Existeixen, encara, problemes oberts que esperem que aquest treball ajudi a afrontar com, per exemple, entendre la interconnexió entre les estructures induïdes en dispersions superparamagnètiques i la seva dinàmica d'agregació. Aquest és un aspecte important en una gran varietat d'aplicacions industrials i de laboratori com són els processos de separació magnètica, tractament d'aigües residuals i eliminació de contaminants, immunoassaigs en aplicacions clíniques o la creació de nous materials supramoleculars. Tanmateix, esperem que els resultats que es presenten al llarg d'aquest document encoratgin nous estudis dins el camp de col·loides magnètics, ja sigui perfeccionant els resultats i mètodes aquí presentats o contribuint al desenvolupament de noves estratègies per afrontar problemes encara per resoldre.
Resum: Colloidal dispersions, a term coined by the Scottish scientist Thomas Graham in 1861, have been the subject of interest in different scientific areas during more than a century. A colloidal dispersion is characterized by the existence of a dispersed phase uniformly distributed throughout a dispersion medium. Many different compounds fall in this category like aerosols (smog, fog, clouds or dust), foams, emulsions (mayonnaise or milk) or gels (butter or jelly). Recent improvements in particle synthesis and colloidal stability have boosted the controlled design of new colloids on demand, targeting the required properties for each application. Among the large variety of different colloidal dispersions (either found in nature or man-made), we have studied a singular type of such dispersions where the colloids have a superparamagnetic behavior called superparamagnetic colloidal dispersions. In these dispersions, surprising features arise under the application of an external magnetic field, as a consequence of the interplay between characteristic colloidal interactions and the anisotropic magnetic dipole-dipole interaction between their constituent colloidal particles. Along this thesis we have used different theoretical and simulation methods to discuss a number of phenomena appearing in superparamagnetic colloidal dispersions. On the one hand, we have shown that the application of a uniform magnetic field to such dispersions may induce the reversible aggregation of superparamagnetic particles. In view of theoretical models and computer simulations, a new criterion based on the physical properties of the colloidal dispersion has been proposed to predict the formation of aggregates, and its validity has been discussed by comparing the predicted behavior with experimental results. We have provided evidences of the existence of an equilibrium state, where aggregate sizes acquire a steady distribution, an issue previously suggested but unclear up to now. We have also focused our attention on the growth kinetics of the aggregates and its implications in different phenomena observed in experiments. The need to reach the large time scales of some experiments has motivated the development of new models and simulation strategies to overcome the large time consuming calculations required in standard simulations. We have presented a new simulation model that provides a faster and reliable approach to address the formation of chain-like structures in superparamagnetic dispersions. The model has been validated by direct comparison with standard Langevin Dynamics simulations and has been applied to experimental situations like the T2 relaxation time of protons in aqueous solutions of superparamagnetic nanoparticles. Let us mention that the simulation model has been implemented and the corresponding computer code is free and available to the scientific community, envisaged as a new modeling tool readily extensible to other problems of interest. On the other hand, we have analyzed different effects arising as a consequence of the application of inhomogeneous magnetic fields to such superparamagnetic dispersions. Specifically, we have studied the controlled motion of magnetic particles dispersed in a liquid medium by using inhomogeneous magnetic fields, what is known as magnetophoresis. To do so, we have focused the efforts on the description of the magnetic separation of colloids by the application of uniform magnetic field gradients, from superparamagnetic dispersions to mixtures of colloids with different magnetic response. We have validated the theoretical models adopted against computer simulations and we have discussed their usefulness by comparing the predictions obtained with experimental results. The rational analysis of these results provides a proper starting framework to enhance the design and performance of different magnetic separators, as well as to shape new separation strategies, like the cooperative magnetophoretic separation in superparamagnetic dispersions. There exists, of course, open problems that we hope this work will help to deal with. For instance, a better understanding of the interplay between the induced structures in superparamagnetic dispersions and their aggregation kinetics. This is an important issue in a vast variety of industrial and lab applications as, for example, in magnetic separation-based processes, waste-water treatment and pollutant removal, immunoassays in clinical applications or in the assisted assembly of new supramolecular materials. Nevertheless, we hope that the results presented along this document could encourage further studies in magnetic colloids science, either refining the results and approaches provided here or developing new strategies to face unsolved problems.
Nota: Tesi doctoral - Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física, 2013
Drets: ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.
Llengua: Anglès.
Document: Tesis i dissertacions electròniques ; doctoralThesis
Matèria: Materials ; Propietats magnètiques ; Camps magnètics ; Col·loides ; Dispersió (Física)
ISBN: 9788449037191

Adreça alternativa: http://hdl.handle.net/10803/113485


82 p, 7.2 MB

85 p, 5.0 MB

El registre apareix a les col·leccions:
Documents de recerca > Tesis doctorals

 Registre creat el 2013-09-05, darrera modificació el 2016-04-17



   Favorit i Compartir