Interfaces in fluids of charged platelike colloids

Abstract

Whereas some theoretical studies of bulk fluids of charged platelike colloids -- which exhibit a rich phase behaviour including sol-gel transitions, flocculation, and liquid crystalline phases -- have been performed in the past, no theoretical investigations of inhomogeneities of such systems have been undertaken prior to this work. Within the present work, a model fluid composed of a ternary mixture of monodisperse platelike macroions and salt ions is considered. A density functional theory is developed which is able to describe the model fluid in bulk configurations, with a free interface between coexisting bulk phases, as well as in the presence of a charged substrate. The bulk phase diagrams exhibit one isotropic phase and one nematic phase separated by a first-order phase transition. The Donnan potential between coexisting phases can be expressed in terms of the particle chemical potentials obtained from bulk structure calculations. Surface phase transitions are investigated by means of an asymptotical analysis of effective interface potentials and by numerical solutions of the Euler-Lagrange equations. The effective interface potentials exhibit the same asymptotic behaviour as systems governed by non-retarded isotropic dispersion forces although the model does not include dispersion forces. Various qualitative conclusions concerning the structure of interfaces, interfacial tensions, wetting behaviour of charged substrates, as well as electrostatic properties of the model fluid are testable by experiments or computer simulations.

Während die Volumeneigenschaften von Fluiden geladener plättchenförmiger Kolloide, die sich durch ein facettenreiches Phasenverhalten mit Sol-Gel-Übergängen, Ausflockung und flüssigkristallinen Phasen auszeichnen, schon Gegenstand theoretischer Studien waren, fehlten bisher theoretische Untersuchungen zu Inhomogenitäten in solchen Systemen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Modellfluid bestehend aus einer ternären Mischung von monodispersen plättchenförmigen Makroionen und von Salzionen betrachtet. Es wird eine Dichtefunktionaltheorie entwickelt, mit deren Hilfe das Modellfluid sowohl im Volumen als auch mit freien Grenzflächen oder in Gegenwart geladener Grenzflächen beschrieben werden kann. Dichte-Dichte-Phasendiagramme für die Volumenphasen zeigen eine isotrope und eine nematische Phase getrennt durch einen Phasenübergang erster Ordnung. Das Donnan-Potential zwischen koexistierenden Phasen lässt sich aus den chemischen Potentialen im Rahmen einer Volumenstrukturrechnung gewinnen. Oberflächenphasenübergänge werden mittels asymptotischer Analyse des effektiven Grenzflächenpotentials und numerischer Lösung der Euler-Lagrange-Gleichungen untersucht. Das effektive Grenzflächenpotential zeigt das gleiche asymptotische Verhalten wie in Systemen mit nichtretardierten isotropen Dispersionskräften obwohl das Modell keine Dispersionskräfte enthält. Es werden zahlreiche qualitative Schlussfolgerungen über die Struktur von Grenzflächen, Grenzflächenspannungen, das Benetzungsverhalten geladener Substrate sowie elektrostatische Eigenschaften des Modellfluids gezogen, die eine Überpruefung durch Experimente oder Computersimulationen ermöglichen.