Dokument: Driven and Obstructed Colloids in Random Energy Landscapes

Titel:	Driven and Obstructed Colloids in Random Energy Landscapes
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=44847
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20180220-103521-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Zunke, Christoph [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 197,19 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2018 / geändert 09.02.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Egelhaaf, Stefan U. [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Dhont, Jan K. G. [Gutachter] Prof. Dr. Metzler, Ralf [Gutachter]
Stichwörter:	Colloids, Dynamics, Potential Landscapes, Optical Forces, Microscopy
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Driven and obstructed motion is often found in the microscopic world, e.g. for diffusion in biological cells and in disordered media, in the motion of microorganisms or in glasses. As these systems are found in nature, their dynamics is often affected by random potentials or forces. In order to investigate underlying processes, it is therefore desirable to mimic these systems in a controlled way. In this work, four different kinds of driving and obstruction in one- and two-dimensional random potentials are experimentally realised by means of colloidal particles, time-dependent laser light fields and a piezo stage. To create a quasi-two-dimensional system with particles undergoing Brownian motion while being inside random potentials, speckle-patterned light fields are exerted on micrometre-sized polystyrene spheres dispersed in aqueous solutions. The same forces present in an optical tweezers setup result in the particles experiencing a random potential when exposed to the speckle light field. Two different optical setups are used to create either one-dimensional or two-dimensional random light fields. The one-dimensional fields are created by a spatial light modulator, a device capable of time-dependently shaping light in almost arbitrary patterns. The two-dimensional light fields are static and realised by an Engineered Diffuser that creates a top-hat beam with an inherent speckle pattern. Firstly, the short-time diffusion of dilute particle dispersions exposed to one-dimensional random potentials is investigated. Randomly distributed colloids are quenched by a random potential, resulting in a temporary enhancement of the diffusion coefficient before particles relax into the potential minima. Brownian dynamics simulations quantitatively agree with the experimental results. In a second step, periodically varying one-dimensional random potentials are exposed to non-interacting colloidal particles. Their diffusion coefficient is enhanced or reduced depending on the length of the period with which the random potential is changed, resulting in a resonance curve-like behaviour. Theoretical calculations and Brownian dynamics simulations are found to quantitatively reproduce the experimental findings. Subsequently, the dynamics of individual colloidal particles dragged with a constant velocity through a two-dimensional random potential is the focus. Depending on the forces due to the applied drag velocity, distinct regimes differing in their dynamics can be identified. While motion perpendicular to the drag only shows subdiffusion, diffusion coefficients along the drag direction are enhanced by up to more than an order of magnitude. Additionally, first-passage time distributions are found to exhibit kinks. Ultimately, samples made up of two differently sized colloids are exposed to two-dimensional random light fields. The bigger particles are highly restricted due to the interaction with the light field and thus serve as obstacles. The smaller particles, called tracers, which are almost unaffected by the light, diffuse through the voids created by the obstacles. The obstacle concentration is varied which leads to a tracer dynamics similar to that found for diffusion in a Lorentz gas. When the restriction of the obstacle motion is lifted, the long-time tracer diffusion is diffusive instead of the long-time subdiffusion found when obstacles are restricted. Getriebene und behinderte Bewegung findet sich oft in der mikroskopischen Welt, z.B. für Diffusion in biologischen Zellen und ungeordneten Medien, bei der Bewegung von Mikroorganismen oder in Gläsern. All diese Systeme kommen natürlich vor und unterliegen daher oft zufälligen Potentialen oder Kräften. Um zu verstehen wie die Prozesse in diesen zufälligen Umgebungen ablaufen, ist es daher wünschenswert, ein kontrolliertes Modellsystem dieser Systeme zu studieren. In dieser Arbeit werden deshalb vier verschiedene Experimente mit getriebener oder behinderter Bewegung mit Hilfe von kolloidalen Teilchen, zeitabhängigen Lichtfeldern und einem Mikroskoptisch mit Piezoantrieb untersucht. Mikrometer große Polystyrolkugeln in wässrigen Lösungen werden einem Lichtfeld mit zufälligem Fleckenmuster ausgesetzt und erzeugen so ein quasi-zweidimensionales System von Teilchen, die Brown'sche Bewegung vollziehen während sie sich in einem Zufallspotential befinden. Die gleichen Kräfte, die auch in einer optische Pinzette wirken, sind die Ursache dafür, dass die Teilchen ein Potential spüren, wenn sie dem Lichtfeld ausgesetzt sind. Zwei verschiedene optische Aufbauten werden dazu verwendet entweder eindimensionale oder zweidimensionale Zufallspotentiale zu erzeugen. Die eindimensionalen Potentiale werden mit Hilfe eines Spatial Light Modulators realisiert, ein Gerät, das Licht zeitabhängig zu fast beliebigen Mustern formen kann. Die statischen zweidimensionalen Felder werden mit einem Engineered Diffuser erzeugt, der einen zylindrischen Strahl mit einem zufälligen Fleckenmuster formt. Zunächst wird die Kurzzeitdiffusion verdünnter kolloidaler Dispersionen in eindimensionalen zufälligen Potentialen untersucht. Zufällig verteilte Kolloide werden schlagartig einem zufälligen Potential ausgesetzt. Dadurch wird ihr Diffusionskoeffizient zeitweilig erhöht bevor die Teilchen in die Potentialminima relaxieren. Die Ergebnisse von Brownian-Dynamics-Simulationen dieses Experiments stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. In einem zweiten Schritt werden verdünnte kolloidale Dispersionen einem periodisch variierenden eindimensionalen Potential ausgesetzt. Der Diffusionkoeffizient der Teilchen wird abhängig von der Periodendauer erhöht oder verringert und zeigt somit ein Resonanzverhalten. Theoretische Berechnungen und Brownian-Dynamics-Simulationen stimmen quantitativ mit den Experimenten überein. Anschließend steht die Dynamik von einzelnen kolloidalen Teilchen im Fokus, die gleichförmig durch eine zufällige zweidimensionale Potentiallandschaft gezogen werden. Abhängig von der Kraft, die durch die gleichförmige Bewegung auf die Teilchen wirkt, zeigt die Teilchenbewegung mehrere Regimes. Während die Teilchendynamik senkrecht zur Zugbewegung subdiffusiv ist, wird der Diffusionskoeffizient entlang der Zugbewegung um bis zu mehr als eine Größenordnung erhöht. Zusätzlich zeigen sich Knicke in den Verteilungen der ersten Durgangszeiten. Abschließend werden Dispersionen aus zwei verschieden großen kolloidalen Teilchen einem zweidimensionalen Lichtfeld ausgesetzt. Die größeren Teilchen werden durch die Interaktion mit dem Licht stark in ihrer Bewegung eingeschränkt und agieren somit als Hindernisse. Die kleineren Teilchen, auch Tracer genannt, werden kaum durch das Lichtfeld beeinflusst und diffundieren in den Freiräumen zwischen den Hindernissen. Die Variation der Hinderniskonzentration führt zu einer Tracerdynamik, die der für Diffusion in einem Lorentz-Gas ähnelt. Wenn die Einschränkung der Hindernisbewegung aufgehoben wird, verändert sich die Langzeitdynamik der Tracer von subdiffusivem zu diffusivem Verhalten.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Physik der kondensierten Materie
Dokument erstellt am:	20.02.2018
Dateien geändert am:	20.02.2018
Promotionsantrag am:	04.10.2017
Datum der Promotion:	22.12.2017