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Non-Equilibrium Dynamics of Driven and Confined Colloidal Systems

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Universitat de Barcelona. Departament de Física de la Matèria Condensada

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[eng] In this thesis, I study the behavior of confined colloidal particles in aqueous suspension driven through an optical potential. For this purpose, I use micro-meter polystyrene particles, which I confine in the optical potential created with a system of optical tweezers.

With the help of an Acousto Optical Deflector (AOD), which varies the laser position at a high frequency, I can create multiple quasi-simultaneous optical traps. This way, I can easily manipulate the particles and define the desired experimental conditions for the potential.

I record videos of the particles' dynamics using optical microscopy. Thus, I obtain position information over time, which allows me to extract the necessary data to analyze the mechanisms that develop during forced transport.

The results presented in this thesis expose the importance of Hydrodynamic Interactions (HI) when the transport of particles occurs due to a fluid drag. In addition, different situations are compared, including the change in the relative particle size concerning the separation between potential wells.

In addition, I present a study on the emergence of solitons propagating in the opposite direction to the drag force. This situation, which appears when the experimental system is overcrowded, presents a mechanism where the transport dynamics accelerate, increasing the systems' efficiency.

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[spa] En esta tesis estudio el comportamiento de partículas coloidales en suspensión acuosa cuando son forzadas a moverse a través de un potencial óptico. Para ello, utilizo partículas micro- métricas de poliestireno, las cuales confino en el potencial óptico creado con un sistema de pinzas ópticas.

Con la ayuda de un Deflector Acusto Óptico (AOD), el cual varía la posición del láser a una alta frecuencia, puedo crear múltiples trampas ópticas de manera casi simultánea. Esto me permite manipular las partículas con facilidad y definir las condiciones experimentales deseadas para el potencial.

A través de microscopía óptica, obtengo imágenes en vídeo de la dinámica de las partículas. Así, obtengo la información de la posición a lo largo del tiempo, lo que me permite extraer los datos necesarios para analizar los mecanismos que se desarrollan durante el transporte forzado.

Los resultados expuestos en esta tesis ponen de manifiesto la importancia de las Interacciones Hidrodinámicas (HI) en el transporte de partículas cuando son arrastradas por el fluido. Además, se comparan diferentes situaciones en las que se incluye el cambio en el tamaño relativo de las partículas respecto a la separación entre pozos de potencial.

Además, presento un estudio sobre la aparición de solitones que se propagan en la dirección contraria en la que se ejerce la fuerza de arrastre. Esta situación, que aparece al sobrepoblar el sistema experimental, presenta un mecanismo en el que el transporte de materia se acelera, lo que incrementa la eficiencia.

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Tesis Doctorals - Departament - Física de la Matèria Condensada

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Non-Equilibrium Dynamics of Driven and Confined Colloidal Systems