Síntese e caracterização de esferas monodispersas de látex e sua utilização no preparo de filmes de cristais coloidais tridimensionais

Esferas de poliestireno foram obtidas através da polimerização do estireno sem a presença de emulsificante. A suspensão foi caracterizada por Espalhamento de Luz e Microscopia Eletrônica de Transmissão apresentando monodispersidade com tamanho em torno de 463 nm. O método de deposição vertical foi utilizado para preparar filmes em substratos de vidro a partir da suspensão de esferas. Filmes de opalas de alta qualidade foram obtidos e caracterizados por Espectroscopia de Reflectância, Microscopia Eletrônica de Varredura e Microscopia Óptica.

Laserlike emission from silica inverse opals infiltrated with rhodamine 6G

Monodisperse latex spheres were obtained by a surfactant free styrene polymerization method and used to obtain colloidal crystals by controlled centrifugation settling. Silica inverse opals were then prepared by using the colloidal crystals as templates and TEOS/ethanol solution. The inverse opals were infiltrated with Rhodamine 6G and laserlike emission was observed at 590 nm under 532 nm pump wavelength. The data show line narrowing of the dye fluorescence and a laser threshold of similar to 0.1 mJ/pulse. Local-field effects and light scattering due to structural defects are the main mechanisms contributing to generation of the laser-action observed. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Rare earth doped synthetic opals and inverse opals

Monodisperse spheres of silica and latex were obtained by a surfactant free styrene polimerization and the Stober method respectively. Controlling settling either by centrifugation or by dip-coating colloidal crystals could be obtained. Silica inverse opals were prepared by using the latex colloidal crystals as templates and TEOS/ethanol solution. Eu3+ containing silica spheres were obtained dispersing silica spheres in Eu(NO3)(3) isopropanol solutions. Emission spectra suggest the formation of an amorphous Eu3+ containing phase well adhered at the spheres surface. The utilization of solutions of trifluoroacetates salts of Pb2+ and Eu3+ was observed to destroy the silica spherical pattern when samples are treated at 1000degreesC. In that case nanocrystals of PbF2 and amorphous silica were obtained after heat treatment.

Scherverhalten kolloidaler Lagenphasen in Rohrströmungen

Kolloidale Suspensionen aus identischen kugelförmigen, geladenen Partikeln in wässrigen Medien stellen ein ideales Modellsystem zur Untersuchung des Gleichgewichtsverhaltens, aber auch des Nicht-Gleichgewichtsverhaltens Weicher Materie dar. So bilden derartige Systeme bei hinreichend starker und langreichweitiger elektrostatischer Repulsion fluid und kristallin geordnete Strukturen aus, die wegen der weitreichenden Analogie zu atomar kondensierter Materie als kolloidale Fluide und Kristalle bezeichnet werden. Von großem Vorteil ist dabei die Möglichkeit zur kontrollierten Einstellung der Wechselwirkung und die gute optische Zugänglichkeit für Mikroskopie und Lichtstreuung sowie die Weichheit der Materialien, aufgrund derer sich auch Zustände fernab des mechanischen Gleichgewichts gezielt präparieren lassen. Themenstellung der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Phasenverhaltens und der Fließmechanismen kolloidaler Kristalle in einer Rohrströmung. Im ersten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass beim Fluss durch eine zylindrische Röhre Mehrphasenkoexistenz auftritt, wobei ein polykristalliner Kern von einer isotropen Scherschmelze umgeben ist. Zusätzlich treten an der Grenze zwischen diesen Phasen und an der Rohrwand Phasen hexagonal geordneter übereinander hinweggleitender Lagen auf. Der Vergleich zwischen auf der Basis der Navier-Stokes-Gleichung theoretisch berechneten und gemessenen Geschwindigkeitsprofilen zeigt, dass jede dieser Phasen für sich Newtonsches Fließverhalten aufweist. Die Gesamtviskosität ist hingegen durch die mit dem Durchsatz veränderliche Phasenzusammensetzung Nicht-Newtonsch. Damit gelang es, die erstmalig von Würth beschriebene Scherverdünnung auf eine Veränderung der Phasenzusammensetzung zurückzuführen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde erstmals das Fließverhalten der Lagenphasen mittels Lichtstreuung und Korrelationsanalyse untersucht. Dafür wurde ein im Prinzip einfacher, aber leistungsstarker Aufbau realisiert, der es erlaubt, die zeitliche Veränderung der Bragg-Reflexe der Lagenphase in radialer und azimutaler Richtung zu verfolgen und mittels Fourieranalyse zu analysieren. In Abhängigkeit vom Durchsatz geht die zunächst rastend gleitende Lagenphase in eine frei gleitende Lagenphase über, wobei charakteristische Veränderungen der Spektren sowie der Korrelationsfunktionen auftreten, die detailliert diskutiert werden. Der Übergang im Gleitmechanismus ist mit einem Verlust der Autokorrelation der Rotationskomponente der periodischen Intra-Lagenverzerrung verbunden, während die Kompressionskomponente erhalten bleibt. Bei hohen Durchflüssen lassen die Reflexbewegungen auf das Auftreten einer Eigenschwingung der frei gleitenden Lagen schließen. Diese Schwingung lässt sich als Rotationsbewegung, gekoppelt mit einer transversalen Auslenkung in Vortexrichtung, beschreiben. Die Ergebnisse erlauben eine detaillierte Diskussion von verschiedenen Modellvorstellungen anderer Autoren.

Hypersonic elastic excitations in soft mesoscopic structures

This dissertation is devoted to the experimental exploration of the propagation of elastic waves in soft mesoscopic structures with submicrometer dimensions. A strong motivation of this work is the large technological relevance and the fundamental importance of the subject. Elastic waves are accompanied by time-dependent fluctuations of local stress and strain fields in the medium. As such, the propagation phase velocities are intimately related to the elastic moduli. Knowledge of the elastic wave propagation directly provides information about the mechanical properties of the probed mesoscopic structures, which are not readily accessible experimentally. On the other hand, elastic waves, when propagating in an inhomogeneous medium with spatial inhomogeneities comparable to their wavelength, exhibit rather rich behavior, including the appearance of novel physical phenomena, such as phononic bandgap formation. So far, the experimental work has been restricted to macroscopic structures, which limit wave propagation below the KHz range. It was anticipated that an experimental approach capable of probing the interplay of the wave propagation with the controlled mesoscopic structures would contribute to deeper insights into the fundamental problem of elastic wave propagation in inhomogeneous systems. The mesoscopic nature of the structures to be studied precludes the use of traditional methods, such as sound transmission, for the study of elastic wave propagation. In this work, an optical method utilizing the inelastic scattering of photons by GHz frequency thermally excited elastic waves, known as Brillouin light scattering spectroscopy (BLS), was employed. Two important classes of soft structures were investigated: thin films and colloidal crystals. For the former, the main interest was the effect of the one-dimensional (1D) confinement on the wave propagation due to the presence of the free-surface or interface of the layer and the utilization of these waves to extract relevant material parameters. For the second system, the primary interest was the interaction of the elastic wave and the strong scattering medium with local resonance units in a three-dimensional (3D) periodic arrangement.

Phasenverhalten, Kristallisation und Morphologie ladungsstabilisierter kolloidaler Mischungen

Die vorliegende Arbeit möchte die Anwendbarkeit ladungsstabilisierter kolloidaler Systeme als Modellsysteme für fundamentale Fragen der Festkörperphysik und Thermodynamik auf binäre Mischungen erweitern. In diesem Kontext untersucht sie das Phasenverhalten und mit ihm im Zusammenhang stehende Eigenschaften von binären Mischungen ladungsstabilisierter, sphärischer kolloidaler Partikel in wässriger Suspension. Da das Verhalten hartkugelähnlicher Systeme durch hohe Fremdionenkonzentrationen bereits gut bekannt ist, konzentriert sich diese Arbeit auf sehr langreichweitig repulsive Systeme unter deionisierten Bedingungen. Neben etablierten Methoden der Mikroskopie und statischer Lichtstreuung zur Phasendiagrammsbestimmung wird auch die Beobachtung der zeitabhängigen Entwicklung des Schermoduls verwendet, um eine langsame Erstarrungskinetik zu studieren. Es werden insbesondere Mischungen aus Komponenten unterschiedlicher Größe und Ladung der Größenverhältnisse 0,9, 0,82, 0,57, 0,39 und 0,37 untersucht. Diese zeigen in dieser Reihenfolge Phasendiagramme mit spindelförmigem fluid/kristallinen Koexistenzbereich wie auch azeotrope und eutektische Phasendiagramme. Die Strukturuntersuchungen aus der statischen Lichtstreuung stehen in praktisch allen Fällen im Einklang mit ungeordneten bcc- Substitutionskristallen, was über Modelle zu Schermodulmessungen bestätigt wird. Für das spindelförmige System wird ein überraschend weiter Koexistenzbereich beobachtet, wie er nicht von der Theorie erwartet wird. Die Lage, aber nicht die Form des Solidus stimmt quantitativ mit Simulationsvorhersagen zu einkomponentigen Systemen überein. Für das eutektische System bei einem Radienverhältnis von 0,57 wird der Einfluss der Schwerkraft auf das Phasenverhalten und die Erstarrungskinetik untersucht. Die der Kristallisation der kleineren Majoritätskomponente vorgelagerte gravitativ unterstützte Entmischung begünstigt hier die Verfestigung. Beobachtet werden Morphologien, die aus anderen Systemen bekannt sind (Facetten, Dendriten), wie auch erstmals eine kollumnare eutektische Morphologie. Aus den Ergebnissen wird der erste umfassende Überblick über das Phasenverhalten deionisierter Mischungen ladungsstabilisierter, sphärischer Partikel erstellt, die eine Diskussion der Daten anderer Autoren und unserer Gruppe über fluid-fluider Phasenseparation und einem System mit oberem azeotropen Punkt mit einschließt. Die meisten metallspezifischen Phasendiagrammtypen können mit ladungsstabilisierten kolloidalen Partikeln reproduziert werden. Die langreichweitig wechselwirkenden Partikel zeigt eine wesentlich verbesserte substitutionelle Mischbarkeit im Vergleich mit Hartkugel- und Metallsystemen. Das Größenverhältnis der sphärischen Partikel nimmt dabei die bestimmende Rolle für den Phasendiagrammtyp ein.

Pressure Controlled Self-Assembly of High Quality Three-Dimensional Colloidal Photonic Crystals

A concise pressure controlled isothermal heating vertical deposition (PCIHVD) method is developed, which provides an optimal growing condition with better stability and reproducibility for fabricating photonic crystals (PCs) without the limitation of colloidal sphere materials and sizes. High quality PCs are fabricated with PCIHVD from polystyrene spheres with diameters ranging from 200 nm to 1 mu m. The deep photonic band gap and steep photonic band edge of the samples are most favorable for realizing ultrafast optical devices, photonic chips, and communications. This method makes a meaningful advance in the quality and diversity of PCs and greatly promotes their wide applications.

Colloidal photonic crystals with a graded lattice-constant distribution

In this work, a gradient polystyrene colloidal photonic crystal was fabricated by annealing in a graded temperature field. The lattice constant of the gradient crystal gradually varied along the temperature-gradient direction. The positional bandgap wavelength as well as the attenuation of the bandgap wavelength could be tuned dependent on the position of the gradient colloidal crystal along the gradient direction because of the lattice-constant variation.

Development of large-scale colloidal crystallisation methods for the production of photonic crystals

Colloidal photonic crystals have potential light manipulation applications including; fabrication of efficient lasers and LEDs, improved optical sensors and interconnects, and improving photovoltaic efficiencies. One road-block of colloidal selfassembly is their inherent defects; however, they can be manufactured cost effectively into large area films compared to micro-fabrication methods. This thesis investigates production of ‘large-area’ colloidal photonic crystals by sonication, under oil co-crystallization and controlled evaporation, with a view to reducing cracking and other defects. A simple monotonic Stöber particle synthesis method was developed producing silica particles in the range of 80 to 600nm in a single step. An analytical method assesses the quality of surface particle ordering in a semiquantitative manner was developed. Using fast Fourier transform (FFT) spot intensities, a grey scale symmetry area method, has been used to quantify the FFT profiles. Adding ultrasonic vibrations during film formation demonstrated large areas could be assembled rapidly, however film ordering suffered as a result. Under oil cocrystallisation results in the particles being bound together during film formation. While having potential to form large areas, it requires further refinement to be established as a production technique. Achieving high quality photonic crystals bonded with low concentrations (<5%) of polymeric adhesives while maintaining refractive index contrast, proved difficult and degraded the film’s uniformity. A controlled evaporation method, using a mixed solvent suspension, represents the most promising method to produce high quality films over large areas, 75mm x 25mm. During this mixed solvent approach, the film is kept in the wet state longer, thus reducing cracks developing during the drying stage. These films are crack-free up to a critical thickness, and show very large domains, which are visible in low magnification SEM images as Moiré fringe patterns. Higher magnification reveals separation between alternate fringe patterns are domain boundaries between individual crystalline growth fronts.

Designed functional defects in colloidal photonic crystals: switching, biomonitoring and modified photoluminescence

Es werden zwei komplementäre "bottom-up" Methoden präsentiert, die den kontrollierten Einbau von "intelligenten" planaren Defekten in selbstorganisierte kolloidale photonische Kristalle (KPKs) ermöglichen. Die Defektschicht basiert auf einem funktionellen, nanometer-skalierten dünnen Film, der entweder durch schichtweise ("layer-by-layer") Selbstorganisation und Mikrokontakttransferübertragung oder durch Aufschleudern und einer KPK-Opferfüllung hergestellt wird. Die entwickelten Techniken gestatten die Integration von maßgeschneiderten dünnen Defektfilmen bestehend aus einer enorm großen Vielfalt an Materialien; sie sind kostengünstig und können im größeren Maßstab angewendet werden. Optische Untersuchungen zeigen einen engen, durch den Defekt hervorgerufenen Transmissionszustand in der photonischen Bandlücke. Die Defektwellenlänge hängt von der optischen Dicke der Defektschicht ab. Aktives Schalten der Defektwellenlänge wird erreicht, indem Defektschichten aus Makromolekülen hergestellt werden, die über externe Erreger wie Licht, Temperatur, Redoxzyklen und mechanischen Druck adressiert werden können. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind im Einklang mit separat durchgeführten Ellipsometrie-Messungen und theoretischen "scalar wave approximation"-Berechnungen. Darüber hinaus werden KPKs mit funktionellen biomolekularen Defekten vorgestellt. Über Verschiebungen der Defektmode können DNA-Konformationsänderungen, die enantioselektive Einlagerung eines chiralen Antitumormedikaments sowie Enzymaktivitäten optisch beobachtet werden. Die Einlagerung von fluoreszierenden Farbstoffen und Quantenpunkten in Defekt-KPKs führt zu einer eindeutigen, durch die photonische Bandlücke und den Defektzustand hervorgerufenen Modifizierung der Photolumineszenz (PL)-Spektren. Schaltbare PL-Modifizierungen werden detektiert, wenn adressierbare Defekt-KPKs verwendet werden.

Colloidal dispersions in a liquid crystalline medium

We have prepared stable colloidal suspensions in a lyotropic liquid crystal exhibiting an isotropic-nematic-lamellar phase sequence. Small angle neutron scattering (SANS) and dynamic light scattering (DLS) studies show the existence of attractive interparticle interactions in the nematic phase, which lead to a gas-liquid transition of the particles. The resulting liquid phase is weakly anisotropic. Further, the nematic-lamellar transition of the liquid crystal is found to be accompanied by a liquid-solid transition of the particles.

Study of the Formation of Nano-Networks in Colloidal Particles

The authors studied the formation of a wafer-scale network of connected colloidal beads by reactive ion etching. The dimensions of the connections have been studied as a function of etching time for colloidal beads of different sizes, and could be well controlled. The authors have found that the nano-network forms and disappears for the same time of etching independent of the diameter of the polystyrene beads. With recent interest of connected colloidal networks in various optical sensing applications, such as photonic crystals, as surface-enhanced Raman scattering substrates, the studies have potential uses in the development of wafer-scale nanophotonic sensors.

Glass, Gel, and Liquid Crystals: Arrested States of Graphene Oxide Aqueous Dispersions

Colloidal systems with competing interactions are known to exhibit a range of dynamically arrested states because of the systems' inability to reach its underlying equilibrium state due to intrinsic frustration. Graphene oxide (GO) aqueous dispersions constitute a class of 2D-anisotropic colloids with competing interactions long-range electrostatic repulsion, originating from ionized groups located on the rim of the sheets, and weak dispersive attractive interactions originating from the unoxidized graphitic domains. We show here that aqueous dispersions of GO exhibit a range of arrested states, encompassing fluid, glass, and gels that coexist with liquid-crystalline order with increasing volume fraction. These states can be accessed by varying the relative magnitudes of the repulsive and attractive forces. This can be realized by changing the ionic strength of the medium. We observe at low salt concentrations, where long-range electrostatic repulsion dominates, the formation of a repulsive Wigner glass, while at high salt concentrations, when attractive forces dominate, the formation of gels exhibits a nematic to columnar liquid-crystalline transition. The present work highlights how the chemical structure of GO hydrophilic ionizable groups and hydrophobic graphitic domains coexisting on a single sheet gives rise to a rich and complex array of arrested states.

An In-Situ Observation On Initial Aggregation Process Of Colloidal Particles Near Three-Phase Contact Line Of Air, Water And Vertical Substrate

The self-assembling process near the three-phase contact line of air, water and vertical substrate is widely used to produce various kinds of nanostructured materials and devices. We perform an in-situ observation on the self-assembling process in the vicinity of the three phase contact line. Three kinds of aggregations, i.e. particle-particle aggregation, particle-chain aggregation and chain-chain aggregation, in the initial stage of vertical deposition process are revealed by our experiments. It is found that the particle particle aggregation and the particle-chain aggregation can be qualitatively explained by the theory of the capillary immersion force and mirror image force, while the chain-chain aggregation leaves an opening question for the further studies. The present study may provide more deep insight into the self-assembling process of colloidal particles.

From Hexagonally Arrayed Nanorods To Ordered Porous Film Through Controlling The Morphology Of Zno Crystals

The macrostructure can be changed by changing the morphology of its units. In this article, we use a colloidal template route, combined with hydrothermal growth method, to get the hexagonally arrayed ZnO nanorods on the polycrystalline ZnO substrate. More significantly, through controlling the morphology of ZnO crystals by adding structure-directing agent in the precursor solution, the highly ordered porous ZnO films were obtained instead of ZnO nanorods. This templated solvent-thermal method has great potential in micro/nano-fabrication. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.