Controllare sperimentalmente il potenziale di interazione in sistemi colloidali: il caso colloide-polimero

Tesi rivolta agli studenti di Laurea magistrale in Fisica.
Proposta da Roberta Angelini e Barbara Ruzicka
Sede di attività Sapienza
La comprensione dell’arresto dinamico è un argomento di grande interesse per le sue implicazioni teoriche e tecnologiche. I sistemi colloidali hanno dimostrato di essere degli ottimi candidati per lo studio di tale fenomeno mostrando una maggiore flessibilità rispetto ai sistemi atomici e molecolari. Negli ultimi anni lo studio di una dispersione colloidale carica di Laponite, un’argilla sintetica, ha mostrato l’esistenza di un ricco diagramma di fase con la formazione di molteplici stati arrestati. In particolare le particelle di questo sistema, di forma anisotropa (dischi con diametro pari a 25 nm e spessore pari ad 1 nm) con carica superficiale disomogenea (negativa sulle facce e positiva sui bordi), interagiscono tramite un complesso potenziale direzionale (tipo patchy) con contributi attrattivo e repulsivo. La competizione tra i due termini del potenziale determina l’esistenza del fenomeno dell’invecchiamento: la dinamica del sistema non è stazionaria ma rallenta con il passare del tempo determinando una transizione spontanea da una fase fluida ad uno stato arrestato di tipo gel di equilibrio[1] a basse concentrazioni di argilla (quando l’interazione attrattiva è dominante) e di vetro di Wigner[2] (vetro repulsivo stabilizzato dall’interazione Coulombiana) ad alte concentrazioni di argilla (quando l’interazione repulsiva è dominante). Inoltre è stata osservata una transizione vetro-vetro[3] anch’essa dovuta alla competizione dei termini repulsivi ed attrattivi del potenziale. Grazie alle numerose tecniche sperimentali utilizzate ed al confronto con la teoria e le simulazioni è stato possibile individuare il tipo di interazioni efficaci del sistema ed il loro ruolo nelle varie regioni del diagramma di fase. Allo scopo di controllare ad hoc dall’esterno i contributi attrattivo e repulsivo del potenziale e di ottenere quindi uno stato arrestato predefinito, si può introdurre un polimero nel sistema che aiuti o inibisca la formazione del gel e/o del vetro. Lo scopo di questa tesi è quindi quello di studiare dispersioni acquose di argilla (Laponite) e polimero (Ossido di Poli Etilene) mediante diverse tecniche sperimentali quali Scattering della Luce Dinamico (DLS), reologia e calorimetria a scansione differenziale, focalizzando l’attenzione sui cambiamenti introdotti dalla presenza delle catene polimeriche sul fenomeno dell’invecchiamento tipico di dispersioni di Laponite pura.

[1] B. Ruzicka et al., Nat. Mater. 10, 56 (2011).
[2] B. Ruzicka et al., Phys. Rev. Lett. 104, 085701 (2010).
[3] R. Angelini et al., Nat. Commun. 5, 4049 (2014).