Colloidal Phase Transition Dynamics

In this work, we present experimental observations on the colloidal phase transitions (from liquid phase to solid phase) involving evaporation at different time scales. Two experimental setups have been used: vertical deposition configuration (large duration and low evaporation) and spincoating (short duration and high evaporation) to carry out various research objectives. (a) We study patterns formation in vertical deposition of colloids on applying weak AC fields at various temperatures. Diluted suspension of negatively charged polystyrene particles of 1.3 µm in diameter suspended in ultra pure water are used to perform several experiments at different evaporation in external weak AC fields (0.8 V/mm to 1.2 V/mm and of frequency from 1 Hz to 3 Hz). At room temperature the application of AC field leads to the formation of one dimensional clusters array at the interface. The dynamical flows of the system during clusters formation in external AC fields have been studied by PIV analysis. Also, we demonstrate the effect of increasing initial particle concentration (0.5% to 1.1% (w/w)) on the clusters evolution. At higher temperature (63 ◦C) we obtain ordered columnar deposits of these colloidal suspensions in AC fields. We study the effect of field strengths on the behavior of columns formation. (b) We obtain polycrystals of mono-layer on photo-patterned substrates by spin-coating using concentrated colloidal suspension of 458 nm diameter silica spheres dispersed in ethanol 95% of 20% (V/V) concentration. We break the axial symmetry imposed by spin axis and eliminate the emerging OCP character (6– or 4–arms). The effect of scaling spacing of surface patterning on the different structures formation of the spin-coated deposits has been studied extensively. We analyze the different structures in depth with bond order parameters and with Minkowski structure metrics. Also, we investigate the influence of external magnetic fields on the flow dynamics of mixed colloidal particles suspension (carbonyl iron and silica particles of micrometer size) by spin-coating and to manipulate the magneto-rheology in terms of occupation factor of the resulting deposits. We develop a generalized model by modifying Cregan and O’Brien model [85] to measure the change in relative viscosity of the mixed colloids in magnetic fields.En este trabajo experimental, se presentan observaciones experimentales en transiciones de fase coloidales (de estado líquido a sólido) donde la evaporación a diversas escalas es relevante. Se han usado dos sistemas experimentales bien diferenciados: una configuración tipo deposición vertical (evaporación relativamente baja y larga duración del experimento) y “spin-coating” (alta evaporación y corta duración del experimento) para alcanzar los objetivos propuestos en esta tesis. (a) Se estudia la formación de patrones en la deposición vertical de coloides a varias temperaturas con campo eléctrico alterno aplicado. Se utiliza una suspensión acuosa diluida de partículas de poliestireno de 1.3 µm de diámetro cargadas negativamente para llevar a cabo experimentos con campos débiles y muy lentamente variables (0.8 V/mm a 1.2 V/mm y con frecuencias de 1 Hz a 3 Hz). A temperatura ambiente, la aplicación de los campos eléctricos citados da lugar a la formación de un arreglo unidimensional de agregados de partículas (“clusters”) cerca de la linea de contacto. Se han estudiado los flujos que aparecen en el sistema durante la formación y evolución de los agregados anteriormente nombrados mediante análisis de PIV. Además, se demuestra el efecto que tiene la concentración de partículas inicial (0.5 % a 1.1 % (m/m)) en dicha evolución. A mayor temperatura (63 ◦C), pero con campo se obtienen depósitos de tipo columnata. Se ha estudiado el efecto de la intensidad del campo en el comportamiento de los depósitos obtenidos. (b) Se obtienen monocapas policristalinas, sobre sustratos fotolitografiados, de suspensiones etanólicas (95 %) coloidales de partículas de sílice con un diámetro de 458 nm a concentración media (20 % (V/V)). El patrón que forma el sustrato rompe la simetría axial del sistema y evita la aparición de la estructura policristalina correlacionada orientacionalmente (OCP) que da lugar a la aparición de cuatro o seis brazos por reflexión de luz. El efecto de las distancias características del patrón sobre los depósitos por “spin-coating” ha sido estudiado extensivamente. Se caracterizan las estructuras a través del parámetro de orden de ligadura (“bond”) con una métrica estructural de Minkowski. Además se estudia la magnetohidrodinámica de una suspensión coloidal híbrida (Hierro carbonilo y sílice de tamaños micrométricos) por “spin-coating” y se obtienen las propiedades magnetorreológicas en función del factor de ocupación en los depósitos resultantes. Se desarrolla un modelo generalizado modificando el obtenido por Cregan y O’Brien [85] para medir el efecto de la viscosidad relativa de coloides híbridos con campos magnéticos