This dissertation investigates the mechanism on the phase behavior and self-assembly of colloidal systems under depletion attraction, a suitable model for mimicking and simulating the behavior of atoms and molecules. Colloidal particles offer a more accessible model than real atoms and molecules, as their larger size allows for direct observation. However, existing assembly methods for colloidal particles have limitations, such as complex pretreatment or lack of particle-level control. Depletion attraction can address these issues, enabling controlled self-assembly and rich phase behavior in colloidal systems.
The research is divided into three parts. First, the study explores the depletion-mediated phase behavior of polystyrene particles dispersed in water, examining the effects of concentration and salt on fluid, crystal, and glass formation. Generalized phase boundaries are established based on pair potentials, and fluid-crystal and glass formation boundaries are analyzed in terms of potential well depth as well as assembly rate. Second, the scaling laws of dendritic growth in colloidal systems are investigated using depletion interaction in aqueous suspensions of spherical colloids. This approach yields insights into the formation-determinants and growth kinetics of dendrites, revealing that their formation depends on colloidal flux parameterized by an assembly time scale. Lastly, a single-step, bottom-up approach is presented for inducing regioselective crystallization of colloidal particles on patterned substrates. This method involves the depletion-mediated assembly of particles onto the substrate with controlled morphologies, leading to the regioselective nucleation and growth of colloidal crystals and providing a simple and novel alternative to traditional top-down fabrication techniques.
The findings from this dissertation contribute to a systematic understanding of rich phase behavior of colloidal particles, with implications for the use of colloidal systems as atomic models. This research also suggests the potential for crystal patterning using site-selective control of crystallization behavior based on the entropy-dependent nature of depletion attraction.
본 박사학위 논문은 디플리션 인력이 도입된 콜로이드 시스템의 자가 조립과 상거동에 관한 연구를 다룬다. 콜로이드 입자는 크기와 거동의 시간 스케일이 직접 관찰 가능한 수준이라는 점에서 입자 배열, 응집, 결정화, 상전이 등의 거동을 연구하는 모델로 활용된다. 기존에는 주로 반발력 기반의 시스템을 사용했으나, 모델로서 일반성을 갖기 위해서는 실제 원자나 분자 간 상호작용 특성을 반영하면서도 용이한 실험적 접근이 요구되었다. 이에 본 연구에서는 디플리션 힘을 인가한 인력 기반의 콜로이드 시스템을 사용했다. 디플리션 힘은 콜로이드 입자보다 작은 입자 또는 고분자의 존재로 인한 엔트로피 기반의 인력으로, 이를 이용해 다음의 세 가지 세부 연구를 수행했다. 첫째, 인력 기반 시스템의 상분리를 열역학 및 동역학적으로 분석하여 상전이 조건을 정량화했다. 둘째, 콜로이드 결정의 덴드라이트 성장을 확인하고 동역학적 분석을 통해 성장 조건을 제시했다. 셋째, 디플리션 인력의 기하 의존성을 활용하여 비균질 핵생성 및 성장을 억제하는 실험을 고안하고 위치선택적 콜로이드 결정화를 구현했다. 본 연구는 실험과 이론을 통해 인력 기반 콜로이드 시스템의 다양한 상거동을 체계적으로 이해하는데 기여하며, 이러한 시스템은 미시 및 거시적 입자 거동 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
