Dokument: Polyelektrolyt-Sterne in der Nähe harter planarer und gekrümmter Wände: Geometrische Einschränkung, Entmischung, Kollaps

Titel:	Polyelektrolyt-Sterne in der Nähe harter planarer und gekrümmter Wände: Geometrische Einschränkung, Entmischung, Kollaps
Weiterer Titel:	Polyelectrolyte stars meet hard planar and curved walls: confinement, demixing, collapse
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=4939
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20070628-102422-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Konieczny, Martin [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 3,20 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 21.06.2007 / geändert 21.06.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Likos, Christos N. [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Spatschek, Karl-Heinz [Gutachter] Univ.-Prof. Dr. Dellago, Christoph [Gutachter]
Stichwörter:	Polymere, polymers, Polyelektrolyte, polyelectrolytes, Einschränkung, confinement, Phasen-Übergänge, phase transitions, Funktionale Oberflächen, functional surfaces, Adsorption, adsorption, Kolloide, colloids, Weiche Materie, soft matter, complex fluids, Komplexe Fluide, Flüssigintegralgleichungen, liquid integral equations, Computersimulationen, computer simulations, molecular dynamics, Molekulardynamik
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Polyelektrolyt-Sterne (PE) haben sich als ein geeignetes Modell für Kolloide mit weicher Wechselwirkung erwiesen, wobei diese Wechselwirkung im Wesentlichen durch eine Kombination elektrostatischer Kräfte zwischen den geladenen Monomeren und einer von den Gegenionen vermittelten, entropischen Abstoßung herrührt. Im Rahmen dieser Dissertation untersuchen wir in einem ersten Schritt verdünnte Lösungen solcher mesoskopischer Teilchen, wobei das zur Verfügung stehende Volumen durch zwei parallele, planare Wände begrenzt ist. Zusätzliche externe Kräfte seien dabei zunächst vernachlässigt. Wir analysieren die typischen Konfigurationen der PE-Sterne für kleine Abstände zu einer der Wände mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen (MD) und eines theoretischen Ansatzes. Weiterhin bestimmen wir unter Verwendung der gleichen Methoden die effektiven Kräfte, die eine Wand auf die geladenen Sternpolymere ausübt, als Funktion des Abstandes zwischen Stern und Wand. Dabei zeigt sich, dass neben den erwarteten elektrostatischen und entropischen Beiträgen analog der bekannten Wechselwirkung zwischen zwei PE-Sternen zusätzlich noch ein völlig neuer Mechanismus zum Tragen kommt. Die Tatsache, dass die Wände undurchdringbar für die Monomere der Arme sind, führt zu deutlichen Kompressionseffekten und einer zusätzlichen, dieser Kompression entgegenwirkenden Abstoßung. Auf Basis der so gewonnenen Erkenntnisse und mittels einer Derjaguin-artigen Näherung können wir dann die effektive Wechselwirkung zwischen PE-Sternen und harten Kugel mit deutlich größerem Durchmesser herleiten. Im Anschluss dient diese Wechselwirkung als Eingangsgröße für eine Integralgleichungs-Theorie, um so die Struktur und das Phasenverhalten binärer Mischungen von Sternen und Kugeln zu berechnen und insbesondere den Einfluss der genannten Kompressionseffekte auf eine mögliche spontane Entmischung zu ermitteln. Als dritten und letzten Schritt erweitern wir die vorangegangenen Modelle, indem wir Oberflächenladungen auf den planaren oder gekrümmten Wänden zulassen und somit elektrische Felder einführen, die eine Adsorption der PE-Sterne auf dem jeweiligen Substrat zur Folge haben. Es kommt zu einer Komplexbildung, die wir wiederum im Rahmen von MD-Simulationen systematisch untersuchen. Es zeigt sich, dass eine Vielzahl verschiedener Konformationen der adsorbierten Sterne beobachtet werden kann und dass außerdem eine gezielte Beeinflussung möglich ist, wenn Parameter wie die Funktionalität der Sterne oder die Oberflächenladungsdichte geeignet gewählt werden. Dies ist eine notwendige Voraussetzung für potenzielle Anwendungen, z.B. als Mikrolinsen-Systeme in der Optik. Polyelectrolyte (PE) stars have emerged as a model of soft colloids interacting by means of electro-steric repulsions, caused by a combination of electrostatic forces acting between the constituent particles and an additional, counterion-induced entropic repulsion. In a first step, we study dilute solutions of such aggregates and confine the geometry by placing the PE-stars within a pair of parallel, flat walls. In this stage, we neglect any additional external forces. We analyze the conformations of PE-stars close to one of the walls and examine the effective star--wall interactions as a function of the center-to-surface distance. Thereto, we employ both extensive monomer-resolved molecular dynamics (MD) simulations and theoretical considerations. In addition to the aforementioned electrostatic-entropic contributions to the repulsive star--wall force akin to the well-understood PE-star--PE-star case, we identify a third, novel mechanism arising from the compression of the stiff PE-chains approaching the wall. This compression effect is a direct consequence of the impenetrable character of the wall. Based on these effective PE-star--wall interactions, we perform a Derjaguin-type approximation to derive the cross-interactions between PE-stars and hard, spherical colloids of larger diameter. Subsequently, we use the received potentials as an input quantity to an integral equation theory approach, yielding information about the structural and phase behavior of binary PE-star--colloid mixtures. Thereby, the results allow us to investigate in detail the influence of contributions to the PE-star--colloid potentials stemming from chain compression on the possible occurrence of a fluid--fluid demixing transition. In a third and last step, we enhance the previous models of PE-stars in a slab-like arrangement as well as in the vicinity of curved walls by bringing surface charges onto the substrates. In doing so, we introduce electric fields which favor adsorption of the PE-stars. We perform systematic MD simulation studies of the formed complexes' conformations and analyze quantitatively how these conformations can be tuned by altering characterizing properties of the PE-stars, e.g., the functionality, or the strength of the electric field. We discover a wide range of different morphologies for the PE-stars, depending on the particular choice of parameters. The possibility to precisely and easily steer the configurations renders the adsorbed PE-stars a convenient system for practical applications, e.g., as tunable microlenses.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	21.06.2007
Dateien geändert am:	21.06.2007
Promotionsantrag am:	15.03.2007
Datum der Promotion:	14.06.2007