University of Groningen
Dynamics of self-propelled colloids and their application as active matter Choudhury, Udit
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2019
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Choudhury, U. (2019). Dynamics of self-propelled colloids and their application as active matter. University of Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
114
115
8.1 Samenvatting
(Translated to Dutch by Prof.Andreas Herrmann)
In dit proefschrift wordt het gedrag van actieve deeltjes onderzocht, variërend van single particle dynamics tot collectief gedrag van veel deeltjes. Actieve colloïden zijn niet-evenwichtssystemen die de afgelopen 15 jaar uitgebreid zijn bestudeerd. Dit proefschrift behandelt een aantal fenomenen die zich voordoen op het gebied van actieve colloïden. Het eerste hoofdstuk geeft een korte inleiding over mechanismen van voortstuwing van actieve colloïden en gerelateerde fabricagetechnieken.
In het tweede hoofdstuk wordt een eenvoudige techniek besproken om de snelheid van katalytische motoren te verhogen. Janus-deeltjes, half gecoat met een katalysator, zijn het meest bestudeerde systeem van zelfvoortbewegende colloïden. Voor het vervaardigen van deze deeltjes worden fysische dampafzettingstechnieken, zoals sputteren, gebruikt en wordt een katalysator (typisch platina) op de colloïden binnen een vacuümkamer verdampt. Hier wordt onderzocht of nano-structurering kan worden gebruikt om de snelheid van de Janus-deeltjes te verhogen. Een eenvoudige techniek voor het introduceren van een dunne oxide-onderlaag onder de katalysator wordt gedemonstreerd. De oxidelaag creëert ruwheid op het oppervlak van de colloïden op de nanoschaal. Door het afzetten van een metaalplatinakatalysator bovenop het oxide heeft het actieve ruwe katalytische oppervlak een groter specifiek oppervlak dan wanneer het op het gladde oppervlak van het deeltje was afgezet. Daarom wordt een hogere omloopsnelheid verwacht door een effectief groter oppervlak. Dit resulteert in een hogere snelheid van de katalytische motoren en een viervoudige verbetering van hun snelheid wordt waargenomen.
In het derde hoofdstuk van dit proefschrift wordt de beweging van actieve zelfrijdende colloïden op een complexe oppervlaktetopografie bestudeerd. Het modeloppervlak bestaat uit een dichte monolaag van bolvormige deeltjes. Dit modelsysteem vertoont overeenkomsten met het periodieke potentiaal dat wordt gevonden bij atomaire diffusie. De zelfvoortbewegende colloïden kunnen worden beschouwd als "modeladatomen" om de basisfysica van het atomaire diffusieproces te begrijpen. De langzame dynamiek op de
116
micronschaal van de colloïden maakt observatie mogelijk met behulp van eenvoudige optische microscopie en vereenvoudigt het meten van een anders uitdagend proces van oppervlaktediffusie. Op tweedimensionale kristallijne oppervlakken wordt bij lage brandstofconcentraties sub-diffusief gedrag waargenomen. Naarmate echter de brandstofconcentratie toenam, konden de actieve colloïden gemakkelijk van de ene positie op het rooster naar de volgende springen en vrij diffunderen, hoewel met een lagere diffusiecoëfficiënt vergeleken met een vlak substraat. De dynamiek van geactiveerde diffusie van colloïden op oppervlakken werd bestudeerd en vergeleken met een theoretisch model.
In het vierde hoofdstuk wordt een toepassing van actieve colloïden op het gebied van analyse op de nanoschaal beschreven. Hier wordt voor biocompatibiliteit en gemak van integratie in de experimentele opstelling een zelf-thermophoretisch in plaats van een chemisch actief colloïde gebruikt. Door een fluorescerende nanodiamant aan het uiteinde van het colloïde te koppelen, werd een zwemmende hybride structuur vervaardigd. De fluorescentie komt voort uit een vacante stikstofpositie in de nanodiamant en is buitengewoon gevoelig voor temperatuur en lokale elektromagnetische velden. Het colloïde-gekoppelde NV-centrum werd geëxciteerd met een laser op 532 nm en de fluorescentie werd waargenomen tussen 637-750 nm. Het colloïd was ook uitgerust met een klein metalen regio, zodat dezelfde 532 nm-laser plaatselijk het colloïde en dus het vloeistof nabij het colloïde kon verwarmen. Dit zelf-thermophoretische proces dreef de microstructuur aan en maakte een micro-zwemmer die met licht kon worden gemanipuleerd. De vorm van het colloïde werd ontworpen door een dampafzettingstechniek onder een hoek, zodat deze roterende of translerende beweging kon uitvoeren. Elektron-spinresonantiemetingen op het NV-centrum bevestigd aan een roterende zwemmer werden gebruikt om de grootte en richting van een extern aangelegd magnetisch veld te detecteren. Zo werd een microscopisch zelfthermoforetisch "kompas" gerealiseerd dat in staat is om lokaal magnetisch veld met NV-centrum te detecteren. Toekomstige toepassingen van een dergelijke zwemsensor kunnen het waarnemen van lokale fysische eigenschappen in biologische vloeistoffen omvatten
117
In het laatste hoofdstuk met resultaten wordt een actieve opto-reologische suspensie gedemonstreerd. Hier werd het collectieve gedrag van een dichte actieve suspensie van zichzelf voortstuwende (chemisch actieve) colloïden bestudeerd. De eenheid van de suspensie is een vorm-asymmetrisch anataas-titania-colloïd dat wordt aangedreven door de fotochemische ontleding van een waterige brandstof om zichzelf voort te bewegen en interactie met naburige deeltjes te vertonen. Omdat de katalytische reactie licht gecontroleerd is kunnen de eigenschappen van de suspensie worden afgestemd met licht. Door de activiteit (of de lichtintensiteit) te vergroten, maakt de suspensie een microstructurele overgang van een fluctuerende toestand naar een stopgezette toestand. De microstructurele verandering vertaalt zich in verandering in viscositeit van de suspensie. Magnetische micro-rheologie werd gebruikt om de verandering van de viscositeit van de chemisch actieve suspensie te meten en een 8-voudige toename van de lokale viscositeit werd waargenomen. Vervolgens werd de suspensie overgebracht naar een commerciële reometer om de bulkeigenschappen van dit actieve medium te onderzoeken. Een reversibele 10-voudige toename van de viscositeit van de suspensie werd aangetoond. Verder zou de viscositeit meerdere keren kunnen worden veranderd door het licht aan en uit te schakelen. Men denkt dat dit een eerste demonstratie is van het collectieve gedrag van synthetische actieve colloïden die aanleiding geven tot een verandering van een eigenschap van bulkmateriaal. Deze studie opent mogelijkheden voor de grootschalige toepassing van actieve colloïden en voor de ontwikkeling van nieuwe materialen die gebaseerd zijn op niet-evenwichtsfysica.
In het afsluitende zesde hoofdstuk werden de bijdragen van het proefschrift kort geëvalueerd en mogelijke toekomstige richtingen besproken. Toekomstige studies kunnen leiden tot zowel fundamenteel inzicht met betrekking tot het gedrag van actieve deeltjes als toepassingen van actieve stoffen.
