Colloidal Suspensions in Temperature Gradients with Mesoscopic Simulations

Kurzzusammenfassung Ein Temperaturgradient in einem fluiden System erzeugt nicht nur einen Warme- sondern auch einen Massenstrom. Dieser induzierte Massentransport ist bekannt als Thermodiffusion bzw. Soret-Effekt. Der Effekt wurde vor etwas mehr als 150 Jahren in Natriumsulfatlosungen entdeckt. Dabei wurde bei ungleichmassiger Erwarmung eine Erhohung der Salzkonzentration auf der kalten Seite beobachtet und es wurde erkannt, dass dieser Vorgang durch Diffusion verursacht wird. Dieser Nicht-Gleichgewichtseffekt wird durch den Soret-Koeffizienten beschrieben, welcher phanomenologisch definiert ist als das Verhaltnis der durch Temperaturgradienten und Konzentrationsgradienten verursachten Massenstrome. Unterschiedliche Substanzen konnen zur kalten oder warmen Seite driften und Gemische konnen hohere Konzentrationen auf einer der beiden Seiten aufweisen. Eine allgemeine theoretische Beschreibung mit quantitativen Vorhersagen des Soret-Koeffizienten in flussigen Systemen oder komplexen Fluiden war bisher noch nicht moglich und wird derzeit stark diskutiert. Industrielle Anwendungen der Thermodiffusion reichen von Roholraffinierung bis hin zu Mikrofluidanwendungen wie DNA-Sequenzierung. In dieser Arbeit untersuchen wir Thermodiffusion in Kolloidlosungen, auch als Thermophorese bekannt. Kolloide umfassen eine grose Klasse von Partikeln oder Makromolekulen, welche klein genug sind, um im Losungsmittel zu diffundieren und andererseits gros genug sind, um die Tragerflussigkeit als kontinuierliches Medium zu erfahren. Beispiele fur Kolloide sind spharische Partikel, Polymere, Proteine oder Vesikel, wie sie in einer Vielzahl biologischer und technischer Anwendungen vorkommen. Das Verhalten von Kolloidlosungen in einem Temperaturgradienten ist eine besondere Herausforderung auf Grund des reichen Spektrums an moglichen Wechselwirkungen zwischen Kolloidteilchen bzw. Kolloiden und dem Losungsmittel, welche einen grosen Einfluss auf die thermophoretischen Eigenschaften haben. Unsere Forschungsarbeit basiert auf einer mesoskopischen, state-of-the-art Simulationsmethode, bekannt als Multi-Particle Collision dynamics (MPC). Bei dieser Methode sind die Masse, der Impuls und die Energie lokal erhalten. Zudem beinhaltet die Methode thermische Fluktuationen. Daher werden hydrodynamischeWechselwirkungen, Temperaturinhomogenitaten und Diffusion korrekt beschrieben. Wir haben zunachst die Eigenschaften des MPC-Fluids unter Einbeziehung von Temperaturgradienten untersucht. Dabei wurden sowohl periodische Randbedinungen, als auch Systeme mit harten Wande untersucht. Liegen die Simulationsparameter in einem zur Beschreibung von Flussigkeiten geeignetem Bereich, stellt sich zwischen den an den Systemgrenzen vorgegebenen Temperaturen ein lineares Temperaturprofil ein. Die dabei gemessene Warmeleitung stimmt mit analytischen Ausdrucken ¨uberein. Das thermophoretische Verhalten von Kolloidlosungen hat zwei hauptsachliche Beitrage: dies sind kollektive Einflusse und Beitrage die von den Eigenschaften der einzelnen Kolloide abhangen. Die kollektiven Einflusse haben wir in konzentrierten Losungen im Hinblick auf unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen den Kolloiden untersucht. Die Konzentrationsabhangigkeit des Soret-Koeffizienten in unseren Simulationen stimmt qualitativ mit experimentellen Ergebissen uberein. Mit zunehmender Konzentration der Losung sind die Kolloide effektiv hoher auf der warmen Seite des Systems konzentriert. Zudem zeigt sich, dass sich die Kolloide mit zunehmender attraktiver Wechselwirkung zwischen den Kolloiden effektiver auf der kalten Seite akkumulieren. Dies gilt sowohl fur starkere, als auch fur langreichweitigere attraktive Wechselwirkungen. Effekte, die durch die Eigenschaften der einzelnen Kolloide beeinflusst werden, haben wir in verdunnten Losungen untersucht. Dabei haben wir die Wechselwirkungen zwischen Kolloiden und Losungsmittel variiert. Bei repulsiven Wechselwirkungen diffundieren die Kolloide zur warmen Seite, wobei dieser Effekt mit zunehmender Temperatur der Losung schwacher wird. Bei attraktiven Wechselwirkungen diffundieren die Kolloide bei niedriger Losungstemperatur zur kalten Seite. Uberschreitet die Temperatur einen gewissen Wert, andert sich die Diffusionsrichtung und die Kolloide bewegen sich zur warmen Seite. Unsere Simulationsbefunde stimmen qualitativ mit denen durch eine theoretische Beschreibung gewonnenen Ergebnisse uberein. Vergleiche mit Experimenten zeigen z.T. tendenzielle Ubereinstimmungen, jedoch sind die Ursachen fur die auftretenden Abweichungen zwischen Simulationen und Experimenten noch zu klaren.