Light scattering techniques for probing near - wall dynamics and flow of complex fluidsr

Abstract

Σε αυτή τη διατριβή, αναφέραμε την πρόοδο στις τεχνικές εσωτερικής αντανάκλασης που εφαρμόζονται στη μελέτη των διεπιφανειών μεταξύ ενός σκληρού στερεού (γυάλινο υπόστρωμα) και διαφόρων μαλακών υλικών. Τέτοιες εξελίξεις μπορεί να είναι πολύτιμες για την κοινότητα χαλαρής ύλης, καθώς οι τεχνικές για τη μελέτη τέτοιων διεπιφανειακών διεργασιών είναι σπάνιες. Παρουσιάζουμε τη βασική αρχή και την εφαρμογή μιας καινοτόμου τεχνικής ταχυμετρίας διεπιφανειών με τη χρήση δυναμικής σκέδασης φωτός, η οποία αναπτύχθηκε σε εμπορικό ρεόμετρο. Η μέθοδος δοκιμάστηκε σε μια ποικιλία υλικών, σε διάφορες συνοριακές συνθήκες. Επιπλέον, διερευνάται η επίδραση της πολλαπλής σκέδασης φωτός στις μετρήσεις EW-DLS. Η εντοπισμένη σκέδαση και η ανίχνευση σκεδαζόμενου φωτός στο σημείο εισόδου της γεωμετρίας EW, δίνουν ένα αρκετά μεγάλο μέρος σκέδασης που καθιστά δυνατή την ανάκτηση απλής σκέδασης από θολά δείγματα όπου η επίδραση της πολλαπλής έντασης είναι σημαντική. Επιπλέον οι μελέτες υπό διάτμηση αποκαλύπτουν ισχυρή χρονική αποσύνδεση της δυναμικής απλής σκέδασης πλησίον τοιχώματος και χρήσιμων, όπως με τη μέθοδο DWS, πληροφοριών για τον ρυθμό διάτμηση στο εσωτερικό του υλικού, έτσι ώστε να μπορεί να μετρηθεί στο ίδιο πείραμα τόσο η ταχυμετρία διεπιφανειών όσο και η φασματοσκοπία διαχεόμενου κύματος. Εξετάσαμε την εφαρμογή και την ισχύ των μοντέλων για θολά δείγματα σε φασματοσκοπική ελλειψομετρία μεταβλητής γωνίας ολικής ανάκλασης (VASE). Η κατάλληλη περιγραφή της διεπιφάνειας μεταξύ διαυγούς και θολού μέρους δεν έχει καθοριστεί πλήρως. Η ανακλαστικότητα μεταξύ ενός διαφανούς υποστρώματος και ενός θολού μέσου είναι ενδιαφέρον, καθώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να χαρακτηρίσει το θολό μέσο και να συμβάλλει στην εκτίμηση του μεγέθους, του δείκτη διάθλασης και τη σύσταση. Εδώ αναφερόμαστε στην εσωτερική ανάκλαση VASE που χαρακτηρίζει τα θολά μέσα χρησιμοποιώντας μια αποτελεσματική προσέγγιση του μέσου. Συγκεκριμένα, δείχνουμε την αξία της εξάρτησης από το μήκος κύματος για τον προσδιορισμό των απωλειών σκέδασης. Αξιολογείται έτσι η αξία των μοντέλων που βασίζονται στην προσέγγιση του ενεργού μέσου. Εξετάζουμε τη δυναμική και την εξέλιξη της διόγκωσης που προκαλείται από το PH των ψηλών μεγάλων μοριακών βαρών πολυελεκτρολυτικών «βουρτσών» (PEB) αφού υποστούν ισχυρή αποδόμηση. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται είναι προκαταρκτικά. Η εσωτερική δυναμική των ΡΕΒ δεν έχει διερευνηθεί έντονα στη βιβλιογραφία, λόγω έλλειψης πειραματικών τεχνικών. Η εσωτερική ανάκλαση VASE χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό του πάχους υγρών και τη μέτρηση της απόκρισης του χρόνου pH.

In this thesis, we reported advances in internal reflection techniques applied to the study of interfaces between a hard solid (glass substrate) and various soft material. Such developments might be valuable to the soft matter community as the techniques to study such interfacial processes are scarce. We present the principle and implementation of a novel in situ near wall dynamic light scattering velocimetry on a commercial rheometer. The method was tested on a variety of materials where different boundary conditions were observed, from stick to plug flow behavior. Furthermore we investigate the effect of multiple scattering on EW-DLS measurements. The localized scattering and the point of entrance detection of the EW geometry yield a sizable single scattering component that made it possible to recover quasi single scattering dynamics in strongly turbid media. Moreover studies under shear reveal strong temporal decoupling of the near wall single scattering dynamics and useful DWS like bulk shear rate information so that both the near wall velocimetry and DWS like velocimetry can be performed in the same experiment. We looked into the application and validity of effective medium models for turbid media in internal reflection variable angle spectroscopic ellipsometry (VASE). The proper description of the clear-turbid interface is not fully established. The reflectivity between a transparent substrate and a turbid medium is of interest as it could be used to characterize the turbid medium and provide a way to estimate size, refractive index and composition. Here we report on internal VASE to characterize turbid medium using an effective medium approximation. In particular we show the value of the wavelength dependence for determining the scattering losses. The merit of effective medium approximation based models is evaluated. We investigate the dynamics and pH induced swelling kinetics of high Mw polyelectrolyte brushes (PEB) after they have undergone strong degrafting. The results presented are preliminary. Measurements of internal dynamics of PEB’s are not intensely pursued in literature, due to lack of experimental techniques. Internal reflection VASE was used to determine wet thicknesses and measure its pH time response.