Colloids, which spontaneously form crystal structures, have been widely studied as “visible atomic crystallization models” because they are large enough to be observed using microscopes and still small enough to be affected by thermal energy. In particular, colloidal crystallization is a significant research field since its mechanisms rely on thermodynamic and kinetic features of the particles, and thus it is possible to grasp and control the morphology and properties of crystals by analyzing those features. In order to model the crystallization of atoms from that of colloids, most of the previous studies adopted hard spheres, in which only the short-range repulsive interaction works, to calculate interparticle potentials. However, the interaction potential of atoms usually represented by Lennard-Jones potential is different from that of hard spheres due to the attractive long-range interactions acting among the actual atoms. Therefore, a more rational approach would be to establish a crystallization model employing the potentials between colloids corresponding to the interactions of atoms. In this thesis, an attraction-induced colloidal crystallization is demonstrated and investigated analytically as well as a phase transition behavior. For this purpose, depletion force is introduced as the attractive force using depletants, and then the attraction and repulsion between negatively charged polystyrene nanoparticles are controlled experimentally. It is figured out that this colloidal system has reached four distinct phases depending on the composition. Also, the thermodynamic and kinetic conditions under which phase transition occurs are established from the analysis of interaction potentials between colloids. Furthermore, an additional study is conducted to demonstrate the patterning of crystals not previously reported by applying the intrinsic feature of depletion force that their intensity is proportional to the overlap of excluded volumes.
균일한 크기의 콜로이드 입자들은 자발적으로 결정구조를 형성하는데, 이들은 눈으로 관찰 가능할 만큼 충분히 크면서도 여전히 열에너지의 영향을 받을 만큼 작기 때문에 눈에 보이는 원자 결정화 모델로서 사용되어 왔다. 특히, 콜로이드 결정화 기전은 입자의 열역학적 및 동역학적 거동에 영향을 받아 이를 분석하면 결정 형태와 물성 등을 파악하고 제어할 수 있다는 점에서 이론과 실용을 불문하고 매우 중요한 연구 분야이다. 콜로이드 결정화를 원자 결정화 모델로 사용한 기존 연구에서는 주로 근거리 상호작용만이 작용하는 hard sphere를 사용하여 입자 간 상호작용 퍼텐셜을 계산하였다. 그러나 실제 원자에는 거리에 따른 인력이 주도적으로 작용하므로, 이는 원자 간 상호작용 퍼텐셜인 Lennard-Jones potential 등과 상이하다. 따라서 실제 원자들의 상호작용에 상응하는 콜로이드 입자 간 퍼텐셜을 이용하여 결정화 모델을 수립하는 것이 더욱 합리적인 접근 방법일 것이다. 본 학위논문에서는 입자 간 인력을 기반으로 결정화되는 콜로이드 시스템을 구현하고 결정화 및 상전이 거동을 정량적으로 분석하고자 했다. 이를 위해 depletion force, 즉 고갈력을 인력으로써 도입하고, 수분산된 콜로이드 입자 간 인력과 반발력을 실험적으로 제어하였다. 결정화 평형에 도달한 콜로이드 시스템은 조성에 따라 네 가지 상(phase)을 가진다는 점을 확인했으며, 콜로이드 입자 간 상호작용 퍼텐셜에 대한 해석적 분석을 통해 상전이가 발생하는 열역학적 및 동역학적 조건을 수립하였다. 추가로, 힘의 세기가 배제 부피 중첩 영역의 크기에 비례하는 고갈력의 특징을 바탕으로 2차원 패턴의 반구형 딤플 배열 구조를 이용해 기존에 보고되지 않은 방식의 결정 패턴화를 구현하는 연구를 수행하였다.
