Direct Measurement of Thermodynamic Properties of Colloidal Hard Spheres
Mesures directes des propriétés thermodynamiques de sphères dures colloïdales
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Department of Chemistry, Physical and Theoretical Chemistry Laboratory, University of Oxford, South Parks Road, Oxford OX1 3QZ - UK
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Van't Hoff Laboratory, Utrecht University, Padualaan 8, 3584CH Utrecht - The Netherlands
Corresponding authors: roel.dullens@chem.ox.ac.uk w.k.kegel@uu.nl dirk.aarts@chem.ox.ac.uk
Recently, we have shown how to measure thermodynamic properties of colloidal hard sphere suspensions by microscopy [Dullens et al. (2006) PNAS 103, 529]. Here, we give full experimental details on how to acquire three dimensional snapshots of a colloidal hard sphere suspension over a wide range of densities by means of confocal laser scanning microscopy. Furthermore, we elaborate on the analysis of the data sets, in which we measure the available volume to insert an additional sphere and the surface area of that volume. These geometrical properties are related to key thermodynamic quantities by statistical geometry. This enables us to measure in a direct and non-interfering way the pressure, the chemical potential and the free energy density of a hard sphere suspension, which are in good agreement with theoretical predictions.
Résumé
Récemment, nous avons montré comment mesurer les propriétés de suspensions de sphères dures colloïdales par microscopie [Dullens et al. (2006) PNAS 103, 529]. Ici, nous présentons les détails expérimentaux complets sur la manière de capturer des images en trois dimensions d'une suspension de sphères dures colloïdales, couvrant une large gamme de densités, en utilisant la microscopie à laser confocal. De plus, nous approfondissons l'analyse des données et mesurons le volume disponible pour insérer une sphère additionnelle et l'aire de surface de ce volume. Ces propriétés géométriques sont liées aux grandeurs thermodynamiques clés par la géométrie statistique. Ceci nous permet de mesurer, d'une façon directe et non-intrusive, la pression, le potentiel chimique et la densité d'énergie libre d'une suspension de sphères dures; ces mesures sont en bon accord avec les prédictions théoriques.
© IFP, 2008