{"id":7945,"date":"2026-04-03T09:47:03","date_gmt":"2026-04-03T09:47:03","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/joanne-verweij\/"},"modified":"2026-04-23T09:08:21","modified_gmt":"2026-04-23T09:08:21","slug":"joanne-verweij","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/joanne-verweij\/","title":{"rendered":"Joanne Verweij"},"content":{"rendered":"","protected":false},"excerpt":{"rendered":"","protected":false},"author":8,"featured_media":14212,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-7945","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","has-post-thumbnail","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"naam_van_het_proefschift":"Microstructural Dynamics of Colloidal Gels","samenvatting":"In dit proefschrift bestuderen we de structuur-functie relatie van collo\u00efdale gels, een klasse van zachte materialen. We combineren simulaties en experimenten om inzicht te krijgen in de microstructurele respons van collo\u00efdale gels in de aan- of afwezigheid van externe spanning. In het bijzonder bekijken we processen zoals vermoeidheid, afschuiving en gravitationele ineenstorting en bestuderen we hoe vervorming of zwaartekracht de microstructuur en netwerktopologie van deze deeltjesgels be\u00efnvloeden. We maken gebruik van een recent ontwikkeld deeltjessysteem, waarvan de brekingsindex en dichtheid kunnen worden afgestemd met behulp van niet-gevaarlijke polaire oplosmiddelen, om grote volumes collo\u00efdale gels in beeld te brengen. Deze confocale microscopiegegevens stellen ons in staat om de netwerktopologie van deze deeltjesgels te bepalen met behulp van een topologie-mappingalgoritme dat in dit proefschrift wordt beschreven. Tegelijkertijd voeren we simulaties uit om een beter begrip te krijgen van veranderingen in de netwerktopologie van collo\u00efdale gels tijdens vervorming.\n\nIn Hoofdstuk 2 bestuderen we vermoeidheid in collo\u00efdale gels door experimenten en computersimulaties te combineren. Herhaalde belasting van een zachte vaste stof leidt tot microstructurele schade die uiteindelijk resulteert in catastrofaal falen van het materiaal. Hoewel vermoeidheid een bedreiging vormt voor de stabiliteit van vrijwel alle materialen, blijven de microscopische oorzaken van vermoeidheid, vooral voor zachte vaste stoffen, ongrijpbaar. Onze resultaten laten zien hoe mechanische belasting leidt tot onomkeerbare rek van strengen, wat speling in het netwerk opbouwt die de vaste stof verzacht bij kleine vervormingen en rekverharding veroorzaakt bij grotere vervormingen. We ontdekken dus dat microscopische plasticiteit vermoeidheid op veel grotere schaal beheerst. Dit geeft een nieuw beeld van vermoeidheid in zachte thermische vaste stoffen en vraagt om nieuwe theoretische beschrijvingen van de mechanica van zachte gels waarin rekening wordt gehouden met lokale plasticiteit.\n\nOm de rol van plastische vervorming voorafgaand aan het falen van gelstrengen verder te onderzoeken, analyseren we in Hoofdstuk 3 of plasticiteit algemeen aanwezig is in gelstrengen van verschillende dikte en lengte. Onze simulaties laten zien dat herschikkingen van deeltjes binnen de strengen leiden tot plastische verlenging en verzachting, wat uiteindelijk kan leiden tot insnoering van de strengen en ductiel falen. Dit faalmechanisme treedt op ongeacht de dikte en lengte van de strengen en de reikwijdte en sterkte van de interactiepotentiaal. Hierbij wordt waargenomen dat breuk waarschijnlijker is voor lange en dunne strengen en wanneer de breedte van de interactieput toeneemt.\n\nIn het volgende hoofdstuk, Hoofdstuk 4, verleggen we onze focus van afzonderlijke gelstrengen naar de volledige netwerkstructuur van collo\u00efdale gels, aangezien de mechanica van zachte collo\u00efdale gels wordt bepaald door de netwerktopologie van het onderliggende stijve netwerk. Het is echter zeer uitdagend om deze heterogene structuur te kwantificeren. In dit hoofdstuk beschrijven we een algoritme dat een collo\u00efdale gel reduceert tot een netwerk bestaande uit knooppunten en strengen, waardoor we de volledige topologie van de gel in kaart kunnen brengen \u2013 zowel in experimenten als in simulaties. Collo\u00efdale gels worden gekwantificeerd op basis van het aantal en de co\u00f6rdinatie van knooppunten en het aantal, de lengte en de dikte van de segmenten. De beschreven methode maakt het mogelijk om de netwerktopologie van gels met verschillende morfologie\u00ebn in kaart te brengen. Voor experimentele en gesimuleerde gels wordt een opmerkelijke topologische gelijkenis aangetoond. Het ontwikkelde topologische mappingalgoritme opent een breed scala aan mogelijkheden om de fysica van collo\u00efdale netwerken in meer detail te bestuderen.\n\nIn Hoofdstuk 5 hebben we geprobeerd het in Hoofdstuk 4 gepresenteerde algoritme toe te passen op collo\u00efdale gels onder afschuiving. Het begrijpen van de microstructurele herschikkingen in de vloeiovergang van collo\u00efdale gels is zeer relevant voor het begrijpen van het begin van stroming en vervorming in voedingsmiddelen, verven en coatings. Het is echter nog onverkend hoe de netwerktopologie van gels de vloeigrens be\u00efnvloedt of erdoor wordt be\u00efnvloed. Hier onderzoeken we de vloeiovergang in collo\u00efdale gels in zowel simulaties als experimenten. We onderzoeken verschillende geltopologie\u00ebn, gevormd bij verschillende interactie-energie\u00ebn en volumefracties. Bij toenemende vervorming neemt het aantal segmenten in de gel snel af, terwijl de strengen in het netwerk dikker worden. Simulaties onthullen dat het toepassen van afschuiving nabij de percolatie de connectiviteit van het netwerk vergroot. Dit komt door loshangende uiteinden in het netwerk die nieuwe verbindingen kunnen vormen. Netwerken met een hogere volumefractie nemen daarentegen af in connectiviteit door de toegepaste vervorming. Deze resultaten laten zien hoe de geltopologie evolueert tijdens afschuivingsvervorming.\n\nIn Hoofdstuk 6 bestuderen we een ander type mechanische instabiliteit in collo\u00efdale gels, namelijk het ineenstorten van een collo\u00efdale gel door de zwaartekracht. Met behulp van confocale microscopie wordt de gravitationele ineenstorting van collo\u00efdale gels gevolgd op het niveau van individuele deeltjes. Na een korte vertragingstijd wordt waargenomen dat de collo\u00efdale gels loskomen van de bovenkant van de monsterkamer en er een macroscopisch grensvlak verschijnt. De sedimentatiedynamica van dit grensvlak wordt bepaald door poro-elastische compressie van de gel die eronder ligt. Grootschalige collectieve bewegingen in de richting loodrecht op het zwaartekrachtveld, veroorzaakt door een onbalans van interne spanningen in de gel, leiden tot afschuivingsvervorming in het netwerk die het falen van de gel versnelt. Deze bewegingen zijn zowel aanwezig tijdens de inductieperiode als tijdens de daaropvolgende fase van snelle bezinking van de gel, en nemen af naarmate de gel zijn uiteindelijke hoogte bereikt. Deze resultaten benadrukken dat niet alleen externe spanningen, maar ook interne spanningen een cruciale rol spelen bij het falen van deze heterogene netwerken.","summary":"In this thesis, we study the structure-function relation of colloidal gels, a class of soft materials. We combine simulations and experiments to obtain insights into the microstructural response of colloidal gels in the presence or absence of external stress. Specifically, we take a closer look at processes such as fatigue, shear and gravitational collapse and study how deformation or gravity affect the microstructure and network topology of these particle gels. We employ a recently developed particle system, which can be index- and density matched using non-hazardous polar solvents, to image large volumes of colloidal gels. This confocal microscopy data allows us to determine the network topology of these particle gels using a topology mapping algorithm described in this thesis. Simultaneously, we perform simulations to obtain a better understanding of changes in the network topology of colloidal gels during deformation.\n\nIn Chapter 2 we study fatigue in colloidal gels by combining experiments and computer simulations. Repetitive loading of a soft solid leads to microstructural damage that ultimately results in catastrophic material failure. Even though fatigue poses a treat to the stability of virtually all materials, the microscopic origins of fatigue, especially for soft solids, remain elusive. Our results reveal how mechanical loading leads to irreversible strand stretching, which builds slack into the network that softens the solid at small strains and causes strain hardening at larger deformations. We thus find that microscopic plasticity governs fatigue at much larger scales. This gives rise to a new picture of fatigue in soft thermal solids and calls for new theoretical descriptions of soft gel mechanics in which local plasticity is taken into account.\n\nTo further investigate the role of plastic deformation prior to gel strand failure, in Chapter 3, we analyse whether plasticity is generally present in gel strands of different thickness and length. Our simulations show that rearrangements of particles within the strands leads to plastic lengthening and softening, which may ultimately lead to strand necking and ductile failure. This failure mechanism occurs irrespective of the thickness and length of the strands and the range and strength of the interaction potential. Here, rupture is observed to be more likely for long and thin strands and when the well width of the interaction increases.\n\nIn the following chapter, Chapter 4, we shifted our focus from single gel strands to the full network structure of colloidal gels, as mechanics of soft colloidal gels is determined by the network topology of the underlying rigid network. However, it is very challenging to quantifying this heterogeneous structure. In this Chapter, we describe an algorithm that reduces a colloidal gel to a network consisting of nodes and strands, which allows us to map the complete topology of the gel \u2013 both in experiments and simulations. Colloidal gels are quantified based on the number and coordination of nodes and the number, length and thickness of the segments. The described method allows for the mapping of the network topology of gels with different morphologies. For experimental and simulated gels, remarkable topological resemblance is shown. The developed topological mapping algorithm opens up a wide range of possibilities to study colloidal network physics in more detail.\n\nIn Chapter 5 we strived to apply the algorithm presented in Chapter 4 to colloidal gels under shear. Understanding the microstructural rearrangements in the yielding transition of colloidal gels is highly relevant to understand the initiation of flow and deformation in food products, paints and coatings. Yet, it is still unexplored how the network topology of gels affects or is affected by yielding. Here, we investigate the yielding transition in colloidal gels both in simulations and experiments. We examine different gel topologies, formed at varying interaction energies and volume fractions. Upon increasing strain, the number of segments in the gel rapidly decreases, whereas strands in the network become thicker. Simulations reveal that close to percolation applying shear increases the connectivity of the network. This is due to dangling ends in the network which can form new connections. Networks at higher volume fraction, on the other hand, decrease in connectivity due to the applied deformation. These results show how the gel topology evolves during shear deformation.\n\nIn Chapter 6, we study another type of mechanical instability in colloidal gels, namely, the collapse of a colloidal gel due to gravity. Using confocal microscopy, the gravitational collapse of colloidal gels is followed at the single-particle level. After a short delay time, the colloidal gels are observed to detach from the top of the sample chamber and a macro-scopic interface appears. The sedimentation dynamics of this interface are governed by poroelastic compression of the gel that lies beneath. Large-scale collective motions in the direction perpendicular to the gravitational field, induced by an imbalance of internal stresses in the gel, lead to shear deformation in the network that accelerate gel failure. These motions are present both during the induction period and subsequent rapid-settling stage of the gel, and subside as the gel reaches its final height. These results highlight that not only external stresses, but also internal stresses play a crucial role in the failure of these heterogeneous networks.","auteur":"Joanne Verweij","auteur_slug":"joanne-verweij","publicatiedatum":"16 september 2020","taal":"EN","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/joanneverweij?iframe=true","url_download_pdf":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/download\/1b5b8570-c933-403a-9e06-0980ff23cf53\/optimized","url_epub":"","ordernummer":"FTP-202604030943","isbn":"978-94-6395-428-0","doi_nummer":"","naam_universiteit":"Wageningen University","afbeeldingen":14212,"naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"Wageningen University","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/7945","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/8"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=7945"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/7945\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":7948,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/7945\/revisions\/7948"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/14212"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=7945"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=7945"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}