Glass formation of colloids confined in porous materials

Abstract

Fluids that are confined within pores do show distinctively different properties than in the bulk: new phase transitions (such as wetting or layering) as well as drastic modifications in the phase behaviour (as suppressing or causing additional phase transitions) are observed. While these effects are reasonably well understood if the pores have a regular structure or geometry (as this is the case in zeolithes or carbon buckey tubes), the situation is more complex in disordered porous materials (such as aerogels, Vycor, or clay): here we are faced by a complex interplay between confinement, the random pore structure, and the connectivity of the pores.

This particular behaviour of fluids confined in porous materials is of high technological and geophysical relevance: porous materials are widely used in the chemical, food and pharmaceutical industries for pollution control, mixture separation, and as catalysts. Further, since many rock and soil formations are porous, the topics of oil recovery, gas field technology, or removal of pollutants from ground water are important. As the design of such processes is at present largely empirical, a deeper understanding of these phenomena is not only of academic but also of technological relevance.

In the present project we want to study the dynamic properties of colloids confined in porous materials and plan to put particular emphasis on the glass transitions. Our decision to investigate colloidal systems is based on several aspects: (i) most systems of technological relevance are colloids; (ii) the fact that effective interactions between colloidal particles can be easily 'tailored' in the lab offers ideal and unprecedented possibilities for close cooperation between experiment and theory; and (iii) there is clear evidence that colloidal systems do show distinctively different properties than atomic or molecular systems which has led, for instance, in their phase behaviour to many unexpected results.

The fact that the porous matrix does have a distinct influence on the (static) properties of the fluid makes us believe that this also holds for the dynamic behaviour. And indeed, investigations on well-defined geometries have indicated that this is the case. However, there is a lack of theoretical investigations on fluids that are confined in disordered porous matrices. While experiments date back to the early 1990s, first simulations have been performed only a few years ago and it was only last year that a theoretical concept has been put forward. This new technique makes theoretical investigations of these properties possible and will be the basis of our investigations. It is a combination of two theories that have proved reliable in their respective fields. On one side mode coupling theory, a very efficient tool to study dynamic behaviour and glass transitions in (bulk) fluids and on the other side the replica Ornstein-Zernike formalism to study the static properties of fluids confined in disordered porous materials. The merged concept thus covers both aspects of the project.

With our work we want to provide a deeper insight how the presence of the matrix influences the dynamic behaviour, in particular the glass formation, of a colloidal fluid. The many new phenomena encountered in colloidal systems in combination with the drastic influence of the matrix on the static properties of the fluid represent nearly a guarantee that we will find many surprising effects in this widely unexplored topic. The close cooperation between theory and experiment that colloidal systems offer will help us to initiate collaborations with experimentalists, which puts forward the strong interdisciplinary character of the project.

Kurzfassung

Flüssigkeiten, die in porösen Medien eingeschlossen sind, verändern deutlich ihre physikalischen Eigenschaften: unter anderem werden neue Phasenübergänge oder drastische Veränderungen im Phasendiagramm beobachtet. Haben die Poren eine wohldefinierte Geometrie (wie etwa in Zeolithen), so kann man diese Effekte mittlerweile recht gut verstehen. Hat die Matrix allerdings eine ungeordnete Struktur (wie z.B. in Vycor oder Aerogelen), dann ist die Situation wesentlich komplizierter: in diesem Fall werden diese Veränderungen durch das komplexe Zusammenspiel aus der Größenverteilung der Poren, ihrer Vernetzung und ihrer Oberflächenbeschaffenheit bestimmt.

Das besondere Verhalten, das Flüssigkeiten in porösen Medien aufweisen, ist von großer technologischer und geophysikalischer Bedeutung: poröse Materialien werden in der chemischen, erdölverarbeitenden und pharmazeutischen Industrie als Katalysatoren oder zur Trennung von Komponenten in Flüssigkeitsgemischen eingesetzt. Weil Gestein ebenfalls eine poröse Struktur aufweist, spielt dieses Material unter anderem bei der Ölgewinnung eine wichtige Rolle. Wie all diese komplexen technologischen Prozesse im Detail ablaufen, ist allerdings weitgehend unbekannt, daher ist ein tieferes Verständnis nicht nur von rein akademischem sondern auch von technologischem Interesse.

Im Zuge dieses Projektes sollen die dynamischen Eigenschaften von Kolloiden in porösen Materialien untersucht werden, wobei besonderes Augenmerk auf den Glasübergang gelegt wird. Wir haben uns aus folgenden Gründen entschieden, mit Kolloiden zu arbeiten: (i) viele technologisch relevante Systeme sind Kolloide; (ii) da man die effektiven Wechselwirkungen zwischen Kolloidteilchen im Labor gezielt verändern kann, eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten zur Zusammenarbeit zwischen Experiment und Theorie; (iii) Forschungen der letzten Jahren haben ergeben, dass sich Kolloide in vielen ihrer Eigenschaften deutlich von atomaren Systemen unterscheiden.

Untersuchungen an Materialien mit regelmäßigen Porenstrukturen haben bestätigt, daß die Matrix auch das dynamische Verhalten von Flüssigkeiten entscheidend verändert. Wie das allerdings bei ungeordneten Materialien aussieht, ist weitgehend unbekannt: es gibt zwar seit einigen Jahren experimentelle Untersuchungen, die ersten Computersimulationen wurden aber vor drei Jahren durchgeführt und ein geeignetes theoretisches Konzept konnte erst im letzten Jahr vorgestellt werden. Diese Theorie, bei der zwei sehr erfolgreiche Konzepte vereinigt werden, stellt die Basis für unsere Arbeiten dar. Sie kombiniert die Modenkopplungstheorie, eine effiziente Methode zur Beschreibung der dynamischen Eigenschaften und des Glasüberganges in homogenen Systemen mit dem replica Formalismus zur Untersuchung von Flüssigkeiten in ungeordneten porösen Materialien.

Mit unserem Projekt wollen wir zu einem tieferen Verständnis beitragen, wie das dynamische Verhalten und insbesondere der Glasübergang von Kolloiden durch eine poröse Matrix und ihre spezielle Eigenschaften beeinflusst werden. Aufgrund der vielen neuen Eigenschaften, die man an Kolloiden entdeckt hat und wegen des starken Einflusses der Matrix auf die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit erwarten wir viele neue Erkenntnisse in diesem bislang weitgehend unerforschten Gebiet. Die enge Zusammenarbeit, die wir mit experimentellen Gruppen aus der Physik und der Physikalischen Chemie anstreben, unterstreicht den interdisziplinären Charakter des Projekts.