Theoretical predictions of structures in dispersions containing charged colloidal particles and non-adsorbing polymers

文献情報

出版日 2016-03-30
DOI 10.1039/C5CP07814H
インパクトファクター 3.676
著者

Fei Xie, Martin Turesson, Clifford E. Woodward, Kitty van Gruijthuijsen, Anna Stradner, Jan Forsman


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要旨

We develop a theoretical model to describe structural effects on a specific system of charged colloidal polystyrene particles, upon the addition of non-adsorbing PEG polymers. This system has previously been investigated experimentally, by scattering methods, so we are able to quantitatively compare predicted structure factors with corresponding experimental data. Our aim is to construct a model that is coarse-grained enough to be computationally manageable, yet detailed enough to capture the important physics. To this end, we utilize classical polymer density functional theory, wherein all possible polymer configurations are accounted for, subject to a mean-field Boltzmann weight. We make efforts to counteract drawbacks with this mean-field approach, resulting in structural predictions that agree very well with computationally more demanding simulations. Electrostatic interactions are handled at the fully non-linear Poisson–Boltzmann level, and we demonstrate that a linearization leads to less accurate predictions. The particle charge is an experimentally unknown parameter. We define the surface charge such that the experimental and theoretical gel point at equal polymer concentration coincide. Assuming a fixed surface charge for a certain salt concentration, we find very good agreements between measured and predicted structure factors across a wide range of polymer concentrations. We also present predictions for other structural quantities, such as radial distribution functions, and cluster size distributions. Finally, we demonstrate that our model predicts the occurrence of equilibrium clusters at high polymer concentrations, but low particle volume fractions and salt levels.

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Physical Chemistry Chemical Physics

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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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