Dokument: Colloids in Non-Equilibrium: Dynamical Density Functional Theory of Colloidal Suspensions under External Forcing

Titel:	Colloids in Non-Equilibrium: Dynamical Density Functional Theory of Colloidal Suspensions under External Forcing
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=44753
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20180131-111421-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Zimmermann, Urs [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 15,36 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 30.01.2018 / geändert 30.01.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter] Prof. Dr. Horbach, Jürgen [Gutachter]
Stichwörter:	Colloids, Soft Matter, DDFT, Density Functional Theory
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Many physical processes and phenomena in our environment are inherently out of thermodynamic equilibrium. It remains a challenge to physicists to describe, analyze and understand non-equilibrium systems. The thesis at hand focuses on the theoretical description of transport processes in various colloidal systems using the dynamical density functional theory (DDFT). As a theoretical framework, DDFT describes the temporal evolution of the averaged particle density distribution of the colloidal suspension. This thesis includes studies of three different colloidal systems. First, we consider non-interacting colloidal particles in a periodic potential energy landscape subjected to an external driving force. This force consists of two components: a constant and a time-modulated part. The natural frequency of the particle motion over the periodic landscape couples to the modulation frequency and results in a synchronization of particle movement into discrete modes. We summarize the resulting transport properties and their dependence on the modulation frequency and drive amplitudes via state diagrams. Furthermore, we deduce an analytic approximate theory and compare it to experiments, simulations, and DDFT. The different investigation results are in very good agreement with each other. In the second study, we examine the flow of repulsive colloidal particles through a two--dimensional microchannel induced by a constant driving force. The effect of a geometrical constriction in the channel is studied as a function of its width and the strength of the particle interactions. Four qualitatively different flow patterns can be identified: complete blockade, constant particle flow, damped oscillatory flow and persistent oscillations. State diagrams of these patterns are displayed. Moreover, we show a qualitative different oscillation behavior in the persistent oscillations regime that depends on the parity of particle layering in the channel. A good qualitative agreement between DDFT predictions and computer simulations is found. The third study explores the resistance imposed by obstacles to the flow of repulsive colloidal particles driven by a constant force in a two-dimensional microchannel. We investigate deviations from additivity of the resistances of two energetic barriers put in series. For barrier separation distances comparable to the correlation length of the particles, the resistance is strongly non-additive. The increase in resistance caused by a second barrier can be either much larger, smaller, or even negative, depending on its position with respect to the first barrier. The latter case is of particular importance, since in this situation particle transport, counterintuitively, is facilitated by the presence of an additional obstacle. This interesting effect is analyzed and explained by the structure of the suspension between the obstacles that enables an enhanced particle transport via fluctuations. Viele physikalische Prozesse und Phänomene in unserer direkten Umgebung finden jenseits des thermodynamischen Gleichgewichts statt. Es bleibt weiterhin eine Herausforderung der Physik, grundlegende Einsichten in die Dynamik solcher Vorgänge zu erlangen. Die vorliegende Dissertation untersucht Transportprozesse dreier kolloidaler Systeme mit verschiedenen Wechselwirkungen in Gegenwart von externen Feldern. Methodischer Schwerpunkt ist hierbei die dynamische Dichtefunktionaltheorie (DDFT), mit der die zeitliche Entwicklung einer mittleren Teilchendichte beschrieben werden kann. Die erste Studie untersucht nicht-wechselwirkende kolloidale Teilchen, die in einer periodischen Potentiallandschaft von einer externen Kraft getrieben werden. Die treibende Kraft setzt sich zusammen aus einer konstanten und einer zeitperiodischen Kraftkomponente. Durch eine Synchronisation der zeitperiodischen Kraft mit der intrinsischen Bewegungsfrequenz, hervorgerufen durch die konstante treibende Kraft und das periodische Potential, zerfällt die Kolloidbewegung in diskrete Moden. Die Abhängigkeit der Transportcharakteristika von der Frequenz der äußeren Kraft and der Amplituden beider Kraftkomponenten werden umfassend untersucht und in Zustandsdiagrammen dargestellt. Numerische Lösungen der DDFT zeigen im Vergleich mit Ergebnissen aus Experiment und Simulation eine hervorragende Übereinstimmung. Des Weiteren wird mit der DDFT die Güte einer analytischen Näherung bestimmt und das Diffusionsverhalten des Teilchens bei verschiedenen Parameterkombinationen charakterisiert. In der zweiten Arbeit wird der Teilchenfluss von repulsiven kolloidalen Teilchen durch einen zweidimensionalen Kanal betrachtet, der durch eine konstante treibende Kraft hervorgerufen wird. Hierbei wird der Einfluss einer Verengung des Kanals in Abhängigkeit der Wechselwirkungsstärke der Kolloide untereinander auf das Flussverhalten betrachtet. Vier qualitativ unterschiedliche Flussmuster können sowohl in der DDFT als auch in Simulationen nachgewiesen werden: komplette Blockade, konstanter Teilchenfluss sowie gedämpft schwingender und persistent oszillierender Teilchenstrom. In einem Zustandsdiagramm werden die Flussmuster in Abhängigkeit von Wechselwirkungsstärke und Verengungsbreite dargestellt, wobei eine qualitative Übereinstimmung von DDFT und Simulation besteht. Es wird ferner gezeigt, dass das Schwingungsverhalten im Bereich des persistent oszillierenden Kolloidstroms von der Anzahl der Teilchenschichten entlang des Kanals abhängt. Das dritte hier vorgestellte System besteht aus einer Suspension mit repulsiv wechselwirkenden Kolloiden, die von einer konstanten Kraft durch einen zweidimensionalen Mikrokanal getrieben wird, in bis zu zwei Potentialbarrieren eingeführt werden. Der durch die Barrieren hervorgerufene Widerstand wird untersucht und der Frage nachgegangen, inwiefern die Widerstände zweier in Reihe geschalteter Barrieren additiv sind. Hierbei deuten Daten aus einem Experiment eine Nicht-Additivität an, die mit Hilfe von DDFT und Simulationen eingehend untersucht wird. Die Stärke des zweiten Widerstandes kann - abhängig von dem Abstand zum ersten Hindernis - sehr viel größer, kleiner oder sogar negativ sein. Im letzteren Fall ist der Widerstand von zwei Hindernissen effektiv einfacher zu überwinden, als dasselbe System mit einer einzelnen Barriere. Dieser nicht-intuitive Effekt wird näher analysiert und mit der Strukturbildung der Suspension zwischen den Hindernissen erklärt.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	31.01.2018
Dateien geändert am:	31.01.2018
Promotionsantrag am:	01.12.2017
Datum der Promotion:	15.01.2018