Dynamic Self-Assembly of Magnetic Colloidal Particles

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Casic, Nebojsa:
Dynamic Self-Assembly of Magnetic Colloidal Particles.
Bayreuth , 2013 . - 149 S. S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Abstract Dynamic self-assembly represent one of the most powerful tools in Nature to spontaneously organize a system on a hierarchy of different scales. Most of the processes at the nano/micro scale occur at very low Reynold’s number where inertia can be neglected. Creeping flow magnetic systems can be characterized by the Mason number. The Mason number measures the ratio between the viscous and the magnetic torque and is the main parameter governing the behavior of paramagnetic colloids investigated in this thesis. The work presented in this thesis explores new dynamic regimes of colloidal dynamics which occur when suddenly switching to high Mason numbers. In a static magnetic field the equilibrium structure of paramagnetic colloids are chains. At high Mason number in a rotating magnetic field the time averaged equilibrium conformation is a two dimensional cluster. By switching from a static to a rotating magnetic external field, we cause a transient dynamics from a static to the dynamic equilibrium state. The first question addressed in this thesis is: what is the physics that determines the transient folding pathway from one to the other equilibrium state? Dynamic magnetic fields were used by others to propel top down DNA-linked chains of paramagnetic colloids in a liquid. The second question asked is whether we can dynamically self-assemble swimmers taking a fully bottom up approach? The third question is: is it possible to assemble more complex dynamic patterns that lead to motion of the swimmers governed by more collective coupled hydrodynamics that goes beyond slender body theory of the linked chains? This thesis answers the three questions and contributes to the understanding of colloidal dynamics and self-assembly in dynamic magnetic fields in the regime of high Mason numbers. We explore two aspects of the dynamic self-assembly i.e. the transient kinetics between two dynamic self-assembled equilibria and the dynamically self-assembled propulsion of magnetic swimmers beyond slender body hydrodynamics. The thesis therefore aims at achieving magnetic control over the assembly of complex dynamic colloidal structures.

Abstract in weiterer Sprache

Kurzdarstellung Die dynamische Selbstassemblierung ist eines der effektivsten Konzepte, die in der Natur zur spontanen Organisation hierarchischer, sich über verschiedene Längenskalen erstreckender, Strukturen führt. Viele Prozesse, welche auf nanoskopischen oder mikroskopischen Längenskalen ablaufen, können durch sehr kleine Reynoldszahlen charakterisiert werden, so dass die Trägheit keine Rolle für den physikalischen Mechanismus spielt. Kriechender Fluss magnetischer Systeme kann deshalb durch eine einzige dimensionslose Größe, die Mason Zahl, charakterisiert werden, die das Verhältnis zwischen viskosen und magnetischen Drehmomenten misst. Sie bestimmt das physikalische Verhalten in dieser Arbeit untersuchter paramagnetischer Kolloide. Die vorliegende Arbeit untersucht neue dynamische Regionen der kolloidalen Dynamik, welche dadurch erschlossen werden, dass das ursprünglich bei niedrigen Masonzahlen vorliegende System abrupt hohen Masonzahlen ausgesetzt wird. Die Gleichgewichtskonformation paramagnetischer Kolloide in einem statischen Feld besteht aus Kolloidketten. Bei hohen Masonzahlen, in einem dynamischen Magnetfeld ist die zeitgemittelte Gleichgewichtsstruktur ein zweidimensionaler Cluster. Durch das plötzliche Umschalten von einem statischen zu einem rotierenden Magnetfeld wird eine transiente Dynamik zwischen beiden Gleichgewichtskonformationen verursacht. Die erste mit dieser Arbeit untersuchte Frage ist: welche physikalischen Mechanismen bestimmen den transienten Faltungspfad von der einen zur anderen Gleichgewichtskonformation? Dynamische Magnetfelder wurden von anderen Gruppen dazu benutzt DNS-verknüpfte paramagnetische Kolloidketten in einer Flüssigkeit schwimmen zu lassen. Die zweite, in dieser Arbeit untersuchte Frage lautet: Ist es auch möglich einen mikroskopischen Schwimmer aus seinen Einzelteilen mit einem bottom up Ansatz dynamisch selbst zu assemblieren? Die dritte in dieser Arbeit zu klärende Frage ist: Lassen sich komplexere Muster dynamisch selbst assemblieren, die zu einer Schwimmbewegung führen, welche über eine hydrodynamische ungekoppelte Theorie schlanker Körper hinausgeht und eine Beschreibung mittels kollektiv gekoppelter Hydrodynamik zwischen den Einzelteilen notwendig macht? Die vorliegende Dissertation beantwortet die drei Fragen und trägt zum Verständnis der kolloidalen Dynamik der Selbstassemblierung in zeitabhängigen Magnetfeldern bei hohen Masonzahlen bei. Es werden zwei Aspekte der dynamischen Selbstassemblierung: zum einen die transiente Kinetik zwischen zwei dynamisch selbst assemblierten Gleichgewichtskonformationen, zum anderen die dynamisch selbst assemblierte Vorwärtsbewegung eines magnetischen nicht schlanken Schwimmers, untersucht. Das mit dieser Arbeit verfolgte Ziel ist die magnetische Kontrolle über die Assemblierung komplexer kolloidaler Strukturen.