Józefczak, Arkadiusz. PromotorJameel, Bassam2025-01-152025-01-152025https://hdl.handle.net/10593/28002Wydział FizykiEmulsje stanowią niestabilny z natury typ układów koloidalnych. Aby zapewnić im długotrwałą stabilność, konieczne jest zastosowanie dodatkowych materiałów zwanych emulgatorami. Do stabilizowania emulsji można wykorzystać zarówno substancje powierzchniowo-czynne (surfaktanty), jak i cząstki stałe. Emulsje stabilizowane przez cząstki stałe obecne na powierzchni kropel fazy rozproszonej nazywane są emulsjami Pickeringa. Jeśli cząstki stabilizujące taką emulsję posiadają własności magnetyczne, wówczas krople Pickeringa także uzyskują te własności, a cały układ staje się podatny na działanie zewnętrznych czynników, takich jak stałe pole magnetyczne. Stopień stabilizacji takich emulsji zależy od wielu parametrów, w tym rozmiaru, kształtu i zwilżalności cząstek, a także ich stężenia w układzie. Aby zapewnić stabilność emulsji Pickeringa konieczna jest zatem ścisła kontrola procesu jej otrzymywania. W ostatnich dekadach podejmowano liczne próby udoskonalenia procedury tworzenia emulsji w taki sposób, aby ograniczyć możliwość agregacji kropel, a także procesów sedymentacji i śmietankowania. Do tego celu wykorzystywano różne metody charakteryzowania emulsji Pickeringa, spośród których spektroskopia ultradźwiękowa pozwala na skuteczną analizę wewnętrznej struktury emulsji oraz zawiesin cząstek. Prace naukowe wchodzące w skład niniejszej rozprawy doktorskiej dotyczą dwóch głównych aspektów badań magnetycznych emulsji Pickeringa: opisu ich własności oraz możliwych zastosowań. Fale ultradźwiękowe zostały wykorzystane do zbadania zawiesin cząstek oraz emulsji Pickeringa, co pozwoliło na uzyskanie informacji na temat wielkości cząstek i kropel, a także stopnia ich agregacji w ośrodkach o wysokiej lepkości. Jest to istotne ze względu na nieliczne badania w takich ośrodkach. Do analizy danych, pochodzących ze spektroskopii ultradźwiękowej, wykorzystano teorię opisującą rozpraszanie fal ultradźwiękowych, opartą o tak zwany core-shell model. Uzyskano dzięki niej informacje na temat grubości powłoki wokół kropel Pickeringa, co jest trudne do osiągnięcia przy pomocy innych nieniszczących metod pomiarowych. Dodatkowo, do dalszego opisu własności cieczy magnetycznych oraz magnetycznych emulsji Pickeringa wykorzystano badania magnetoreologiczne. Wykazały one różnice we własnościach lepkosprężystych badanych emulsji, w zależności od sposobu ich wytworzenia. Wyniki pokryły się z rezultatami badań ultradźwiękowych. Kontrola parametrów emulsji Pickeringa, w szczególności wielkości kropel i grubości powłoki wokół nich, ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach przemysłowych i medycznych. Obliczenia numeryczne w połączeniu z symulacjami komputerowymi pozwoliły na kontrolę i optymalizację efektywności nagrzewania ultradźwiękowego w fantomach z emulsjami, ze względu na wielkość kropel oraz grubość powłoki wokół nich. Pokazano, że parametry te wpływają na tłumienie fal ultradźwiękowych, co skutkuje rożnym wzrostem temperatury i głębokością wnikania fal ultradźwiękowych. Za pomocą metody ultradźwiękowej zbadano także separację magnetyczną. Przy użyciu rotującego pola magnetycznego zaś scharakteryzowano efektywność nagrzewania magnetycznego w emulsjach Pickeringa. Niniejsza rozprawa doktorska składa się z sześciu rozdziałów. W rozdziale 1 zaprezentowano podstawowe informacje dotyczące wytwarzania i stabilności emulsji Pickeringa, a także metody opisu ich własności. Przybliżono także wykorzystaną w przedstawianych pracach naukowych teorię rozpraszania fal ultradźwiękowych w ośrodkach dwu- i trójfazowych. Rozdział 2 zawiera opis metod eksperymentalnych wykorzystanych w pracy badawczej, związanych z wytwarzaniem emulsji Pickeringa, pomiarami spektroskopii ultradźwiękowej, pomiarami magnetoreologicznymi oraz zastosowaniem rotującego pola magnetycznego do uzyskania efektu termicznego. Rozdział 3 zawiera zwięzłe podsumowanie prac naukowych wchodzących w skład rozprawy, w tym opis uzyskanych wyników oraz ich wzajemne powiązanie. W rozdziale 4 przedstawiono końcowe wnioski rozprawy doktorskiej, natomiast w rozdziale 5 zestawiono wykorzystaną literaturę. Najważniejszą częścią całej pracy jest rozdział 6, który zawiera zbiór powiązanych tematycznie prac naukowych. W rozdziale 7 przedstawiono oświadczenia współautorów dotyczące wkładu w proces przygotowania i publikacji tychże prac. Emulsions are inherently unstable systems that require emulsifiers to ensure their stability over time, and there are different types of emulsifiers, including surfactants and solid particles. Pickering emulsions refer to emulsion droplets stabilized by solid particles that gather at the interface between the droplets. Stabilization of emulsions with particles possessing magnetic properties leads to transfer of these properties to the Pickering droplets, making them sensitive to external factors. However, the stability of Pickering emulsions depends on several factors, including particle capacity, concentration, size, and shape. Therefore, controlling the formation process is necessary to ensure droplet stability. In recent decades, efforts have been made to improve the formation process to achieve better stability, with reduced possibilities of aggregation, creaming, or sedimentation. Several methods for monitoring and controlling the Pickering droplet formation process include microscopic imaging and analytical techniques, with ultrasonic spectroscopy emerging as a promising tool for investigating the internal structures of suspensions and emulsions. The publications that are part of this doctoral dissertation address two main aspects of research on magnetic Pickering emulsions: their characterization and possible applications. Ultrasonic waves are used to characterize oil-based suspensions and Pickering emulsions to provide valuable information on the internal structures, such as particle size and aggregation rate, especially in highly viscous media. The ultrasonic demister theory, based on the core–shell model, is used to analyze the measurement data from ultrasonic spectroscopy, and the results demonstrate the ability of ultrasonic waves to detect the particle sizes of shells around Pickering droplets, which is difficult to control using other non-destructive methods. Magnetorheological measurements are also used to characterize oil-based magnetic fluids and Pickering emulsions, revealing changes in the viscoelastic response of Pickering emulsions prepared by different methods. Moreover, the rheological results show good agreement with ultrasonic predictions. Control of the parameters of the prepared Pickering emulsions, especially the shell thickness and core radius, is of great importance in many industrial and medical applications. Computational approaches combined with numerical simulations thus provide the possibility to optimize ultrasonic heating using particle-coated droplets with different shell thicknesses and core radii and to control their ultrasonic heating. The results of computer simulations directly illustrate the changes in the temperature height and penetration depth inside agar phantoms doped with Pickering emulsions. Another potential application of the tested systems may be magnetic separation, successfully investigated using the ultrasonic method in different magnetic field gradients. When magnetic fields change over time, magnetic heating occurs, as shown in numerous reports on magnetic suspensions and Pickering magnetic emulsions. This doctoral dissertation consists of six chapters. Chapter 1 presents the basic concepts of Pickering emulsion formation and stability, together with aspects of ultrasonic demisting characterization and theory for two- and three-phase systems. Chapter 2 covers the experimental techniques used in my research related to Pickering emulsion formation methods, ultrasonic spectroscopy measurements, magnetorheological measurements, and magnetic field applications. Chapter 3 provides a concise summary of the papers that make up the dissertation, describing the final results achieved and their interrelationships. Chapter 4 presents the conclusion of the dissertation, while Chapter 5 contains references to the literature and Chapter 6 the papers that form the core of the dissertation. Contributions of co-authors are stated in Chapter 7.eninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis