Dokument: Struktur und Dynamik weicher Materie: Von zweidimensionalen Flüssigkristallen zu makromolekularer Diffusion durch Gele

Titel:	Struktur und Dynamik weicher Materie: Von zweidimensionalen Flüssigkristallen zu makromolekularer Diffusion durch Gele
Weiterer Titel:	Structres and dynamcis in soft matter systems: From two dimensional liquid crystals to macromolecular diffusion through gels
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=44703
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20180125-113517-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Sitta, Christoph Ernst [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 13,33 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 25.01.2018 / geändert 25.01.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter] Wittkowski, Raphael [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	In der modernen Physik ist das Gebiet der weichen Materie durch seine vielen Schnittstellen zur Biologie, Chemie oder Medizin ein sowohl interessantes als auch anspruchsvolles Forschungsgebiet. Viele Systeme, die in angrenzenden Disziplinen von höchster Bedeutung für den Menschen sind, lassen sich durch Erkenntnisse über die zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge besser verstehen. Beispiele sind die Diffusion von Enzymen in Zellen oder das Flussverhalten von Blut in engen Kanälen. Auch für technische Anwendungen, wie bei der Bestimmung des genetischen Fingerabdruckes oder bei LCD-Bildschirmen, bilden Systeme der weichen Materie die Grundlage. In dieser Arbeit wird der Schwerpunkt auf zwei komplexe Systeme gelegt, die mit den beiden letztgenannten technischen Anwendungen in enger Verbindung stehen. Bei der Bestimmung des genetischen Fingerabdruckes diffundieren DNA-Fragmente bei angelegtem elektrischem Feld durch eine Gel-Matrix. Obwohl die Diffusion von Makromolekülen durch Gele in vielen Anwendungen eine Rolle spielt, sind viele Vorgänge hierbei noch nicht restlos erforscht. Ebenso werden viele Eigenschaften der Gele, wie beispielsweise ihre mittlere Porengröße, immer noch kontrovers diskutiert. Als erster Schwerpunkt dieser Dissertation wird unter Verwendung von computergestützten Simulationen und drei unterschiedlicher experimenteller Techniken die Dynamik von Makromolekülen in einem Gel durch Berechnung der Diffusionskoeffizienten untersucht. Dadurch werden Rückschlüsse auf die Struktur des Gels durch Bestimmung der Porengrößenverteilung ermöglicht. Der zweite Teil dieser Arbeit untersucht verschiedenste Aspekte des Verhaltens richtungsabhängiger, kolloidaler, harter Teilchen. Je nach Teilchenform, Teilchendichte und anderen Parametern können diese durch ihr kollektives Verhalten unterschiedliche Strukturen bilden. Solche Flüssigkristalle bilden die Grundlage von LCD-Bildschirmen und sind daher von großer Relevanz. An Grenzflächen zwischen harten Wänden und Flüssigkeiten treten weitere interessante Effekte auf, von denen der Lotus-Effekt der wohl bekannteste ist. Diese Arbeit beschäftigt sich mit solchen kolloidalen Systemen in zwei Dimensionen. Auch wenn die reale Welt dreidimensional ist, ist die Einschränkung auf zwei Dimensionen mehr als nur eine mathematische Spielerei. Schließlich sind alle Prozesse, die auf Oberflächen stattfinden, effektiv zweidimensional. Im Rahmen des zweiten Teils dieser Arbeit wird dabei ein Schwerpunkt auf Flüssigkeiten mit stäbchenförmigen oder rechteckigen Teilchen gelegt, da diese im Gegensatz zu Scheiben eine Orientierungsabhängigkeit vorweisen und so durch ihre Form weitere interessante Effekte ermöglichen. Unter Verwendung von Simulationen und Dichtefunktionaltheorierechnungen wird das Phasenverhalten dieser Flüssigkeiten unter verschiedenen Bedingungen betrachtet. Im Speziellen werden die Einflüsse der Oberflächenkrümmung, eines externen Feldes oder von Wänden auf das jeweilige System untersucht und dabei auch die Oberflächenspannungen in der Anwesenheit von Wänden berechnet. Die in dieser Dissertation präsentierten Ergebnisse liefern grundlegende Einblicke in das Verhalten von anisotropen Teilchen in zwei Dimensionen sowie in die Diffusion von Makromolekülen in Gelen und können als Basis für zukünftige Forschungsprojekte dienen. Soft condensed matter is an interesting yet also demanding research area in modern physics, due to its many connections to biology, chemistry or medicine. Many systems in those related disciplines are of high importance for human life and their understanding can be enhanced by insight into the underlying physical mechanisms. Examples are the diffusion of enzymes within cells or the flow of blood within narrow channels. But also technical applications like the genetic fingerprint or liquid crystal displays (LCDs) rely on soft matter systems. This dissertation focuses on two complex systems, which are connected to these two technical applications. When determining the genetic fingerprint, small DNA fragments diffuse in an electric field through a gel matrix. Although commonly used, the underlying mechanisms in the diffusion of macromolecules through gels are still under discussion and similarly, fundamental properties of gels like the mean pore size are still controversly discussed. Such topics are the main issue of the first part of this dissertation. By combination of three complementary experimental techniques and additional simulations, information about the dynamics of different macromolecules in the gel is obtained, which allows for conclusions about the underlying structure of the gel by deducing its pore size distribution. The second part investigates different aspects of the behavior of a liquid containing anisotropic colloidal hard particles. Depending on the particles’ shapes, their density, or other parameters, these particles can form different patterns. Such liquid crystals are the basis for LCDs and therefore of great importance. Additional interesting effects can be observed at the boundaries between liquids and hard walls, as the lotus effect is only one well known example. This work deals with colloidal systems, which are confined to two dimensions. Even though our world is three dimensional, this restriction is more than just a mathematical gimmick as processes on surfaces are effectively taking place in two dimensions. This dissertation focuses especially on dispersions of rodlike and rectangular colloidal particles, since their shape anisotropy allows for many interesting effects. Using simulations and density functional theory calculations, their phase behavior in various environments is investigated, including flat and curved surfaces and the presence or absence of walls or external fields. Furthermore, the interfacial free energies in the presence of walls are calculated. The results presented in this thesis provide fundamental insights into the behavior of both two dimensional systems of anisotropic particles and the diffusion of macromolecules in gels and will help guide future research.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	25.01.2018
Dateien geändert am:	25.01.2018
Promotionsantrag am:	25.10.2017
Datum der Promotion:	27.11.2017