Dokument: Structure and dynamics of Soft Matter systems: bidisperse stackings, broken symmetries, gel networks
| Titel: | Structure and dynamics of Soft Matter systems: bidisperse stackings, broken symmetries, gel networks | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=35940 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20151019-095104-2 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Kohl, Matthias [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Dr. Schmiedeberg, Michael [Gutachter] Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | The name Soft Matter refers to materials that are easily deformable. Famous representatives of such materials are for example suspensions that comprise of two components, one being the solvent and the other being the solute. The solute typically consists of micro-sized constituents which are immersed in the solvent medium.
The particles are exposed to the influence of thermal fluctuations and bear multifaceted application possibilities for material industry. In this thesis, we introduce theoretical model systems where the constituents are spherical particles. We slightly perturb the systems in order to obtain complex phenomena, such as segregation of distinct particle species, glassy dynamics in anisotropic environments, and network-like clusters of bonded particles. The respective perturbations are an external gravitational field, flat repulsive walls, or short-ranged interparticle attractions. After drafting the technical fundament in Chapters 2 and 3, this thesis mainly discusses the microscopic structure and the relation to the accompanied dynamics for three setups that are obtained by the above-mentioned perturbations: bidisperse stackings, broken symmetries, and gel-networks. In Chapter 4, two species of ultra-soft but yet repulsive colloidal solvent particles under the influence of gravity are studied. The arising stackings remind of the so-called Brazil nut effect, that depicts the segregation of large and small nuts in a package of cereals after shaking. However, in our Soft Matter systems the observed states are even more manifold, e.g., as characterized by stackings of large particles at the top and the bottom of a basin and small colloids in between. Chapters 5 and 6 investigate the emergence of broken symmetries that occur for a system of hard spheres close to a flat wall. Besides the heterogeneous distribution of single particles in such a situation, we also acknowledge spatial correlations of a couple of particles by means of theory and computer simulations. Amorphous structures are obtained by polydisperse setups at high packing fractions. For such systems, the dynamics of individual tracers is supposed to slow down significantly due to the formation of local cages of neighboring particles. We explain this so-called glassy behavior in an anisotropic situation by the consideration of spatial correlations that are locally anisotropic and by employing a one-particle model that incorporates the history-dependent memory during a cage escape. In Chapters 7 and 8 we consider interactions, that are repulsive on long ranges and at contact, but attractive in between. The corresponding experiments with colloid-polymer mixtures, in which the polymers mediate an effective attraction, show the same intriguing finding as our simulations: even at low packing fractions heterogeneous bonded cluster-networks with different states occur. One is characterized by the possibility to draw a system spanning line through the interconnected network that may contain loops or backward steps; in the other state forward connections dominate the nature of the network. We identify only such so-called directed percolated gels with non-equilibrium arrested states. As we shear these gels a fracturing of the network into huge slab-like clusters occurs. The slabs only become teared apart at very large stresses. The presented results are mostly theoretical predictions. But due to the size of the particles our results can be experimentally verified with optical microscopy.Die Physik der Weichen Materie beschäftigt sich im Allgemeinen mit leicht deformierbaren Materialien. Diese Materialien bestehen häufig aus zwei Komponenten, nämlich einem flüssigen Lösungsmittel und der gelösten Substanz, die sich darin befindet. Dabei handelt es sich oft um kleine Teilchen in der Größenordnung von einigen Nanometern bis zu wenigen Mikrometern, die aufgrund ihrer Größe thermischen Fluktuationen ausgesetzt sind. Diese besondere Charakteristik Weicher Materie sorgt in vielen Anwendungen für interessante Phänomene. Im Verlauf dieser Arbeit werden einfache Kugel-Modelle so modifiziert, dass verschiedene komplexe Phänomene beobachtet werden können: Die Entmischung unterschiedlicher Teilchensorten auf verschiedenste Weisen, die glasartige Dynamik einzelner Teilchen in lokal anisotropen und dichten Umgebungen, sowie netzwerkartige Strukturen, die wir mit Hilfe kolloidaler Gele untersuchen. Nachdem in den einleitenden Kapiteln 2 und 3 das Fundament für theoretische Ansätze und Simulationsmethoden gelegt wird, beschäftigen sich die darauf folgenden Kapitel insbesondere mit den Ergebnissen zu den bereits angedeuteten Phänomenen. In Kapitel 4 widmen wir uns dem Effekt von Gravitation auf eine zwei-komponentige Mischung sehr weicher Teilchen. Hier beobachten wir, dass sich große und kleine Teilchen entmischen und übereinander stapeln, ähnlich dem Paranusseffekt, bei dem sich während des Schüttelns größere und kleinere Bestandteile in einer Müslipackung trennen. Im Gegensatz zu diesem relativ einfachen Entmischungsvorgang (groß-klein) beobachten wir in unseren kolloidalen Systemen auch wechselnde Stapelung (z.B. groß-klein-groß) oder netzwerkartige Strukturen. In den Kapiteln 5 und 6 untersuchen wir einen Symmetriebruch, der durch die Anwesenheit einer flachen Wand hervorgerufen wird. Dieser Symmetriebruch äußert sich in der lokalen Struktur der Suspension sowie der damit einhergehende Dynamik. Die amorphen Strukturen, die wir mit Hilfe von kleinen Größenunterschieden der Teilchen erreichen, weisen in unseren dicht gepackten Mischungen vor der Wand ausgeprägte anisotrope Eigenschaften auf, welche wir mit der ebenfalls anisotropen glasartigen Dynamik in Verbindung bringen. Nachdem wir für diesen speziellen Fall auch den Zusammenhang von Dynamik und Gedächtnis eines Teilchens untersuchen, werden wir im Anschluss ein Ein-Teilchen-Modell benutzen, um das Entkommen des Teilchens aus seinem lokalen Käfig zu modellieren. Schließlich untersuchen wir in den Kapiteln 7 und 8 Gele, in denen Teilchen neben langreichweitigen repulsiven Wechselwirkungen auch eine kurzreichweitige Anziehungskraft besitzen. Hierbei bilden sich große Netzwerke, die das System durchspannen und dabei insbesondere in zwei Fälle unterschieden werden müssen: Entweder sind beim Verfolgen eines Verbindungsweges durch das Netzwerk Rückwärtsschritte erlaubt, oder es sind nur Vorwärtsschritte in eine spezielle Richtung erlaubt (gerichtete Perkolation). Wir legen dar, dass nur Letztere mit Nicht-Gleichgewichtsgelen in Verbindung gebracht werden können, die in große scheibenförmige Cluster aufbrechen, wenn sie geschert werden. Wenn auch diese Arbeit zu einem großen Teil aus theoretischen Vorhersagen besteht, so ist die experimentelle Validierung mit Hilfe von optischer Mikroskopie leicht möglich. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 19.10.2015 | |||||||
| Dateien geändert am: | 19.10.2015 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 24.08.2015 | |||||||
| Datum der Promotion: | 18.09.2015 |
