Dokument: Phase Behavior and Structure of Binary Colloidal Mixtures

Titel:	Phase Behavior and Structure of Binary Colloidal Mixtures
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=2156
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20021021-000156-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dzubiella, Joachim [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 1,98 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter] Prof. Dr. Likos, Christos N. [Gutachter] Prof. Hansen, Jean-Pierre [Gutachter]
Stichwörter:	Kolloide, Weiche Materie, Komplexe Fluide, Sternpolymere,Polymere, Mischungen, Phasentrennung, Strukturbildung, Phasenseparation, Entmischungcolloids, soft matter, complex fluids, star polymers,polymers, mixtures, phase separation, demixing, pattern formation, laning
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Die vorliegende Arbeit untersucht die Physik von binären kolloidalen Mischungen im Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht. Ein interessantes und umfassendes Modell für binäre Systeme im Gleichgewicht ist eine Mischung aus Sternpolymeren und harten sphärischen Kolloiden. Durch Veränderung der Anzahl der Arme eines Sternpolymers ist es möglich zwischen den wohlbekannten Kolloid-Polymer und binären Hartkugel Mischungen zu interpolieren. Die effektive Wechselwirkung zwischen den Sternpolymeren und Kolloiden wird systematisch untersucht und analytische Ausdrücke eingeführt. Zusätzlich präsentieren wir ein Paarpotential für die effektive Wechselwirkung zwischen Sternpolymeren für kleine Armzahlen, welches eine leichte Modifizierung des bekannten Ausdrucks für grössere Armzahlen ist. Durch Verwendung dieser Wechselwirkungen in Flüssig-Integralgleichungen wird die Entmischung der Kolloide in der fluiden Phase für verschiedene Armzahlen und Grössenverhältnisse zwischen Sternen und Kolloiden untersucht. Die Koexistenzkurven werden konstruiert und zeigen quantitative Übereinstimmung mit experimentellen Messungen. Im Anschluss berechnen wir das komplette Phasendiagramm von Sternpolymer-Kolloid Mischungen für einen weiten Bereich von Armzahlen und Grössenverhältnissen, indem wir die Sternpolymere aus dem binären System kanonisch herausintegrieren und effektive Wechselwirkungen zwischen den Kolloiden in einem nunmehr einkomponentigen System verwenden. Für kleine Armzahlen finden wir stabile fluid-fluid Entmischungen der Kolloide ab einem kritischen Grossenverhältnis. Die systematische Untersuchung der Phasendiagramme zeigt, dass die Entmischung in der fluiden Phase bei Erniedrigung des Grössenverhältnisses und bei Erhöhung der Armzahl instabil gegenüber dem Einfrieren der Kolloide wird. Dies ist in Konsistenz mit den Phasendiagrammen der beiden Grenzfälle von Kolloid-Polymer und binären Hartkugel Mischungen. Ein Vergleich der zweikomponentigen und der effektiven einkomponentigen Beschreibung rechtfertigt die angewandten statistischen Methoden und Ergebnisse im Rahmen des Modells. Als einfaches Modell für binäre kolloidale Mischungen im Nichtgleichgewicht betrachten wir Kolloide mit Yukawa-Wechselwirkung, welche einer Brownschen Dynamik unterliegen. Es wird angenommen, dass externe Felder unterschiedlich auf die beiden Konstituenten der Mischung wirken. Computersimulationen zeigen für parallele äussere Kräfte einen Nichtgleichgewichtsübergang erster Ordnung, der zu einer Strukturbildung in der Flüssigkeit führt. Teilchen gleichen Typs sammeln sich in Streifen parallel zu den äusseren Feldern und wandern kollektiv mit gleicher Driftgeschwindigkeit. Der Übergang geschieht bei genügend grosser betraglicher Differenz der externen Kräfte und bei ausreichend kleiner Frequenz und wird mit Computersimulation und einfacher Theorie quantitativ untersucht. Eine experimentelle Verifizierung sind bidisperse kolloidale Systeme unter Sedimentation. Wir zeigen weiter, dass der Übergang auch bei nicht parallelen Kräften auftritt und zu ungewöhnlich verdrehten Streifen führt. Ist das kräftefreie System ein Festkörper, beobachten wir ein neuartiges reentrant-freezing Verhalten: bei Erhöhung der äusseren Kräfte schmilzt das System, um dann nach dem Übergang in die strukturierte Phase innerhalb der wandernden Domänen wieder einzufrieren. In this work, we present recently achieved progress in the physics of binary colloidal mixtures in equilibrium and nonequilibrium. The work consists of two parts. In the first part we study a mixture of star polymers and hard spherical colloids as a model for a binary colloidal system in equilibrium. Tuning the arm number of the star polymers provides a natural bridge between the well-known borderline models of colloid-polymer and binary hard sphere mixtures. Using monomer-resolved Molecular Dynamics simulations and theoretical arguments we systematically investigate the effective interactions between hard, colloidal particles and star polymers in a good solvent. We establish analytical forms for the star-colloid interaction which are in excellent agreement with simulation results. A new expression for the star-star interaction for low functionalities is also introduced. Using these effective interactions in a full two-component description we examine the demixing transition in the fluid phase in star-polymer--colloid mixtures for different star arm numbers and star-colloid size ratios. The demixing binodals are calculated and found to be consistent with experimental observations. Further we examine the whole phase behavior of star-polymer--colloid mixtures for star-to-colloid size ratios smaller than unity and different arm numbers by canonically tracing out the star-polymers and deriving accurate effective depletion potentials between the colloids. We find stable fluid-fluid demixing transitions for low arm numbers above a critical value of the size ratio below preempted by a fcc-solid. By increasing the arm number and the size ratio, the region of stability of the demixing transition with respect to crystallization of the colloids shrinks. A comparison between the one- and two-component descriptions that demonstrates the consistency between the two routes is also carried out. In the second part we focus on nonequilibrium phase transitions. The influence of an external field acting differently on the two constituents of a binary colloidal mixture performing Brownian dynamics is investigated by computer simulations and a simple theory. If the external forces are parallel and the field-free state is a mixed fluid, the simulations show a nonequilibrium first order phase transition involving lanes of particles of the same type which are sliding against each other in the direction of the external forces. We further show that pattern formation also occurs in a time-dependent oscillatory field. If the frequency of the external field exceeds a critical value, however, the system exhibits a transition back to the disordered state. For nonparallel forces, lane formation is also observed but with an orientation tilted with respect to the external forces. If the field-free state is crystalline, a continuous increase f the parallel external forces yields a novel reentrant freezing behavior: the crystal first melts mechanically via the external force and then recrystallizes into demixed crystalline lanes sliding against each other. Our results can be experimentally verified in binary colloidal suspensions exposed to external fields under non-equilibrium conditions.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	21.10.2002
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	21.10.2002
Datum der Promotion:	21.10.2002