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HWAHAK KONGHAK, Vol.34, No.1, 1-7, February, 1996
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고농도 콜로이드 분산계의 전기적 상호작용
Electrostatic Interactions in Concentrated Colloidal Dispersions
원용선, 윤병준
초록
콜로이드 분산계의 특성에 중요한 영향을 미치는 입자간의 전기적 상호작용을 수치해석적 방법을 사용하여 이론적으로 고찰하였다. 특히 본 연구에서는 입자의 농도가 클 경우를 고려하였는데 pairwise additivity 갖정을 이용하지 않고 직접 상호작용 에너지를 구하였다. 입자의 표면전위가 작을 경우 사용할 수 있는 선형화된 Poisson-Boltzmann 방정식을 적분방정식으로 변형한 후 이를 경계요소법을 이용하여 풀었다. 입자의 표면조건은 전위가 일정한 경우와 전하밀도가 일정한 경우를 고려하였다. 경계요소법의 정확성을 검증하기 위하여 이미 해석적인 해가 알려져 있는 같은 크기의 두 개의 구형입자간의 상호작용 에너지를 계산하였는데 수치해와 해석해가 비교적 잘 일치하였다. 고농도 분산계의 예로 크기가 같은 세 개의 구형 입자와 FCC 혹은 BCC배열의 경우를 고찰하였다. 상호작용 에너지를 경계적분법과 pairwise additivity 가정을 사용하여 계산하였는데 후자의 경우 전기이중층이 두꺼울 경우 상당한 오차를 보였다. 또한 FCC배열과 BCC배열의 경우 입자의 농도가 변함에 따라 둘간의 상호작용 에너지의 차이가 변하며 경우에 따라 그 부호도 바뀌었는데 이로부터 FCC/BCC 간의 상변이가 가능함을 이론적으로 관찰할 수 있었다.
A method is developed to compute the electrostatic interaction energy of charged colloidal particles in a concentrated aqueous dispersion. The linearized Poisson-Boltzmann equation is used for the potential distribution with the assumption of low particle potential. The boundary element method is used to solve the integral representation of the linearized Poisson-Boltzmann equation under the condition of constant surface potential or constant surface charge density. The method is successfully tested for the system of two spherical particles for which the analytical solution is available. We apply the boundary element method to the systems of three spherical particles, FCC lattice, and BCC lattices. The results show that the pairwise additivity assumption is not good for strongly interacting particles. In addition, by comparing the electrostatic interaction energies of the FCC and BCC lattices at given concentrations, we may explain the possibility of the phase transition between the two phases.
Keywords:Colloidal Dispersion;Electric Double Layer;Poisson-Boltzmann Equation;Boundary Element Method;Cubic Array
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