Charged colloids and proteins: Structure, diffusion, and rheology. [Elektronische Ressource] / Marco Heinen

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• Publié par: heinrich-heine-universitat_dusseldorf
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 41
• Langue: English
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Extrait

Charged colloids and proteins:
Structure, diffusion, and rheology.
Inaugural-Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
vorgelegt von
Marco Heinen
aus Hürth
Düsseldorf, September 2011aus dem Institute of Complex Systems (ICS-3),
Forschungszentrum Jülich GmbH
Gedruckt mit der Genehmigung der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Referent: Prof. Dr. Gerhard Nägele
Koreferent: Prof. Dr. Hartmut Löwen
Tag der mündlichen Prüfung: 09.11.2011ii
©Marco Heinen 2011
All Rights Reserved.iii
This thesis is partially based on the following papers:
• M. Heinen, P. Holmqvist, A. J. Banchio, and G. Nägele, “Short-time diffusion of charge-
stabilized colloidal particles: generic features”, J. Appl. Cryst. 43, 970-980 (2010).
• M. Heinen, P. Holmqvist, A. J. Banchio, and G. Nägele, “Pair structure of the hard-
sphere Yukawa fluid: An improved analytic method versus simulations, Rogers-Young
scheme, and experiment”, J. Chem. Phys. 134, 044532 (2011) ibid. J. Chem. Phys. 134,
129901 (2011).
• M. Heinen, A. J. Banchio, and G. Nägele, “Short-time rheology and diffusion in sus-
pensions of Yukawa-type colloidal particles”, J. Chem. Phys. 135, 154504 (2011).
• M. Heinen, F. Zanini, F. Roosen-Runge, D. Fedunová, F. Zhang, M. Hennig, T. Seydel,
R. Schweins, M. Sztucki, M. Antalík, F. Schreiber, and G. Nägele, “Viscosity and dif-
fusion: Crowding and salt effects in protein solutions”, accepted for publication in Soft
Matter, DOI:10.1039/C1SM06242E (preprint: arXiv:1109.3101v1 [cond-mat.soft]).
• D. Kleshchanok, M. Heinen, G. Nägele, and P. Holmqvist, “Dynamics of charged
gibbsite platelets in the isotropic phase”, accepted for publication in Soft Matter,
DOI:10.1039/C1SM06735D (preprint: arXiv:1109.3293v1 [cond-mat.soft]).
• M. Heinen, P. Holmqvist, A. J. Banchio, and G. Nägele, “Short- and long-time dynamics
of charged colloidal particles”, in preparation.
• F. Westermeier, G. Grübel, W. Roseker, B. Fischer, G. Nägele, and M. Heinen, “Struc-
ture and short-time dynamics of concentrated charged colloidal systems”, in prepara-
tion.
Other publications by the author of this thesis are:
• M. Heinen and H.-J. Kull, “Radiation boundary conditions for the numerical solution
of the three-dimensional time-dependent Schrödinger equation with a localized interac-
tion”, Phys. Rev. E 79, 056709 (2009).
• M. Heinen and H.-J. Kull, “Numerical Calculation of Strong-Field Laser-Atom Interac-
tion: An Approach with Perfect Reflection-Free Radiation Boundary Conditions”, Laser
Physics 20, 581-590 (2010).ivZusammenfassung
Die hier vorgestellte Arbeit befasst sich mit der theoretischen Beschreibung der Mikrostruktur,
Diffusionseigenschaften, und rheologischen Eigenschaften geladener Brownscher Teilchen.
Wir haben diverse analytisch-theoretische Methoden zur Berechnung statischer und
dynamischer Größen entwickelt, getestet, und angewendet. Die Methoden zeichnen sich
aus durch Genauigkeit, universelle Anwendbarkeit, und numerische Effizienz. Eine Vielzahl
von Gleichgewichtsgrößen und Eigenschaften der Kurzzeit- und Langzeitdynamik sind im
Rahmen dieser Arbeit berechnet worden. Die berechneten Größen umfassen den statischen
Strukturfaktor, translative Diffusionskoeffizienten für kollektive Diffusion und Selbstdiffu-
sion, die hydrodynamische Funktion, sowie die Hochfrequenzviskosität und die statische
Scherviskosität.
In enger Zusammenarbeit mit experimentellen Arbeitsgruppen in Jülich, Tübingen, Utrecht
(Niederlande) und Košice (Slowakei) wurden Suspensionen von geladenen synthetischen
Silicakugeln, leicht asphärischen Rinderalbumin Proteinen, und dünnen Gibbsit-Plättchen
untersucht. (Dynamische) Licht- und Röntgenstreudaten, und Viskositätsdaten dieser drei
Systeme wurden bis in die Nähe des Übergangs zwischen der flüßigen und festen oder
flüßigkristallinen Phase mit hoher Genauigkeit analytisch berechnet. Hierdurch ist eine genaue
Charakterisierung der suspendierten Partikel gelungen. In Zusammenarbeit mit Prof. Banchio
(Uni. Córdoba, Argentinien) haben wir unsere analytischen Methoden zur Berechnung der
Gleichgewichts-Paarkorrelationen und der Kurzzeitdynamik in umfassenden Parameterstu-
dien anhand von Computersimulationen validiert.
Als Grundlage unserer analytischen Verfahren dient ein Modell monodisperser geladener
Kugeln in einer strukturlosen Flüssigkeit, die über ein abgeschirmtes Coulomb-Potential
wechselwirken. Die Reichweite der elektrostatischen Abstoßung hängt vom Salzgehalt der
Suspension ab, sodass bei niedriger Salzkonzentration bereits stark verdünnte Systeme aus-
geprägte Paarkorrelationen aufweisen. Einen wichtigen Teil dieser Arbeit bildet eine neu
entwickelte, analytische Integralgleichungsmethode, bezeichnet als „Modified Penetrating
Background corrected Rescaled Mean Spherical Approximation“. Diese Methode erlaubt
eine schnelle und genaue Berechnung statischer Paarkorrelationen. Die so berechneten
Paarkorrelationsfunktionen dienen als Eingabegrößen für verschiedene analytische Methoden
vvi
zur Berechnung der Diffusionseigenschaften und der Scherviskosität ladungsstabilisierter kol-
loidaler Suspensionen und Proteinlösungen.
Eine besondere Herausforderung bei der Berechnung dynamischer Größen ist die
notwendige Berücksichtigung der langreichweitigen und nichtsuperponierenden hydrody-
namischen Wechselwirkungen. Hierzu haben wir Verbesserungen an der approximativen δγ
Methode von Beenakker und Mazur zur Berechnung der hydrodynamischen Vielteilchen-
Wechselwirkungen entwickelt. Durch die eingeführten Modifikationen erweitert sich die
Anwendbarkeit der δγ Methode von ungeladenen auf ladungsstabilisierte Kolloide. Eine
Alternative zur (modifizierten) δγ Methode bildet die Näherung der paarweise additiven
hydrodynamischen Wechselwirkungen (PA Methode). Unter Verwendung präziser analytis-
cher Lösungen des hydrodynamischen Zweikörper-Mobilitätsproblems sind die Ergebnisse
der PA Methode exakt für verdünnte Systeme. Die PA Methode eignet sich daher beson-
ders zur Anwendung auf Suspensionen niedriger Salzkonzentration, mit stark unterdrück-
ter Annäherung der geladenen Teilchen und der damit einhergehenden hydrodynamischen
Dreikörper-Wechselwirkungen.
Zusammen mit den in dieser Arbeit diskutierten experimentellen Daten und Comput-
ersimulationen erlauben unsere theoretischen Methoden insbesondere Tests der Anwend-
barkeit diverser generalisierter Stokes-Einstein (GSE) Relationen zwischen Diffusionsgrößen
und Viskosität in konzentrierten Dispersionen. Die (näherungsweise) Gültigkeit einer GSE
Relation ist nicht allein in theoretischer Hinsicht interessant. Vielfach ist man interessiert
an Suspension deren Menge für mechanisch-rheologische Experimente nicht ausreicht, wie
beispielsweise Lösungen aufwendig isolierter, biologisch relevanter Makromoleküle. Für
solche Systeme erlaubt eine gültige GSE Relation die indirekte Bestimmung rheologischer
Eigenschaften aus dynamischen Streuexperimenten. Unsere Tests zeigen jedoch, dass selbst
diejenigen GSE Relationen, welche für neutrale Kolloide näherungsweise erfüllt sind, im Fall
geladener Kolloide stark verletzt sind.Summary
This thesis comprises a theoretical description of the microstructure, diffusion and rheological
properties of dispersions of charged Brownian particles. We have developed, and thoroughly
tested, various analytical theoretical methods to calculate static and dynamic properties, and
have applied them to various experimental systems. The common features of these analytic
methods are their high levels of accuracy, versatility, and numeric efficiency. We have calcu-
lated a large variety of equilibrium and short-time dynamic properties and also some long-time
properties, including static structure factors, translational collective and self-diffusion coeffi-
cients, hydrodynamic functions, and static and high-frequency shear viscosities.
Suspensions of synthetic silica spheres, moderately aspheric bovine serum albumin proteins,
and thin gibbsite platelets have been examined in collaboration with experimental groups in
Jülich, Tübingen, Utrecht (Netherlands) and Košice (Slovakia). (Dynamic) Light- and X-ray
scattering data, and shear viscosities for these systems have been calculated for concentrations
up to the liquid-solid or liquid-liquid crystal phase transition point, allowing for a detailed
characterization of the suspended particles. In comprehensive parameter studies, we have val-
idated our analytic methods of calculating equilibrium pair-correlations and (short-time) dy-
namics against numerous computer simulation results. The computer simulations were con-
ducted by Prof. Banchio (Uni. Córdoba, Argentina), in the course of an extended collaboration.
A model of monodisperse, charged Brownian spheres, suspended in a structureless fluid,
and interacting via a screened Coulomb potential, serves as the basis of our