Dokument: Colloidal suspensions responsive to external field variations
| Titel: | Colloidal suspensions responsive to external field variations | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=51297 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20191021-104542-7 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Dr. Tarama, Sonja [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter] Prof. Dr. Egelhaaf, Stefan U. [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Kolloidale Suspensionen bestehen aus kleinen harten Teilchen, die in einem flüssigen Medium suspendiert sind. Die Teilchen haben eine mesoskopische Größe, typischerweise um einiges größer als die Lösungmoleküle, andererseits klein gegenüber einer makroskopischen Längenskala.
Kolloidale Suspensionen werden oft als ein hoch-skaliertes und somit sichtbares Analogon zu Atomen untersucht. Zudem sind die Wechselwirkungsenergien in diesen Systemen vergleichbar mit der thermischen Energie, sodass die Suspensionen leicht durch externe Felder beeinflussbar und somit ins Nichtgleichgewicht zu bringen sind. Sie stellen daher ideale Modellsysteme zur methodologischen Untersuchung sowohl von Gleichgewichts- als auch Nichtgleichgewichtssystemen dar. Von einem mehr anwendungsorientierten Blickpunkt her ist es wichtig, die Dynamik kolloidaler Suspensionen zu verstehen, da diese Materialien einschließen, die uns in unserem täglichen Leben begegnen, z.B. Lebensmittel wie Milch, Verbrauchsgegenstände wie Tinte oder Farbe und Körperflüssigkeiten wie Blut. Verständnis dieser Materialien ist notwendig, um ihre Produktion und Handhabung zu erleichtern sowie ungewollten strukturellen und dynamischen Eigenschaften entgegenzuwirken. Andersherum erlaubt tiefere Einsicht in die Eigenschaften und die ihnen unterliegende Physik, Produkte mit vorgegebenen gewünschten Eigenschaften zu designen. Im Besonderen erhält das Forschungsfeld der intelligenten Materialien zunehmende Aufmerksamkeit. Diese Systeme können ihre Eigenschaften an äußere Gegebenheiten anpassen. Sie können daher in einer breiten Reihe von Verwendungen genutzt werden und zeigen spannende Effekte wie Selbstheilung und Formgedächtnis. Diese Arbeit stellt einen Beitrag zu diesem Thema dar, indem sie die Eigenschaften kolloidaler Suspensionen unter dem Einfluss zweier verschiedener externer Felder untersucht, die in den beiden Teilen dieser Arbeit vorgestellt werden. Der erste Teil der Arbeit betrachtet den Fall einer Suspension von geladenen kolloidalen Teilchen unter enger räumlicher Einschränkung und starker treibender Kraft. Das System wird mittels dynamischer Dichtefunktionaltheorie (DDFT) untersucht. Hierfür haben wir bisherige Modelle um einen weiteren Term zur Beschreibung der sterischen Teilchen-Abstoßung erweitert. Für eine Kondensator-Anordnung wurde eine bisher nicht berichtete optimale Frequenz der treibenden Wechselspannung gefunden, für die die gemessene Impedanz minimal wird. Dieses Phänomen tritt in Systemen auf, deren Breite vergleichbar zur Größe der Kolloid-Teilchen ist und ist unabhängig von der neu-eingeführten sterischen Wechselwirkung. Der beobachtete Effekt könnte für die Entwicklung von kapazitiven Geräten auf der Mikroskala relevant werden, da eine Änderung der Systemweite ein Aufprägen einer gewünschten Resonanzfrequenz ermöglicht. Der zweite Teil, auf dem der Hauptfokus dieser Arbeit liegt, beschäftigt sich mit einer kolloidalen Suspension unter dem Einfluss eines externen Feedback-Potentials als einer neuen Form eines Nichtgleichgewicht-Systems. Das externe Potential ist in diesem Fall abhängig von dem aktuellen oder vorherigen System-Zustand, wodurch das System selbst-adaptiv wird. Konkret betrachten wir den Fall, dass die System-Dynamik von den Teilchen-Positionen zu einer vorherigen Zeit abhängt. Der Effekt auf die kolloidalen Teilchen wurde durch analytische Rechnungen, einschließlich der Herleitung einer DDFT Gleichung, und Teilchen-basierten Computer-Simulationen untersucht. Im Allgemeinen lassen sich bei der Betrachtung zwei Fälle unterscheiden: Attraktiver oder repulsiver Einfluss der vorherigen Teilchenpositionen. Die Teilchen werden entweder von den vorherigen Positionen weg getrieben oder dorthin zurück gezogen. Für ein einzelnes Teilchen ergibt sich daraus im Fall eines attraktiven Potentials eine oszillierende Bewegung mit einer reduzierten Langzeit-Diffusionskonstante. Im Fall eines repulsiven Potentials wurde entsprechend eine Art Selbstantrieb mit einer erhöhten Langzeit-Diffusion beobachtet. Der Teilchenantrieb im repulsiven Fall wird darüber hinaus für mehrere Teilchen von einer Selbstorganisation in laufende Bänder begleitet, sofern die Stärke des Feedbacks ausreicht. Die Tatsache, dass bereits die hier untersuchte einfache Form eines Feedback-Potentials zu neuer Strukturbildung führt, lässt erahnen, welche reiche Dynamik in diesem neuen Typ von Nichtgleichgewichtssystem versteckt liegt. Diese Systeme sind zudem experimentell realisierbar. Generell lässt sich jede Form von Feedback-Potential z.B.~über ein Laser-Intensitätsfeld extern erzeugen, sodass eine unbegrenzte Anzahl neuer Systeme erforscht werden kann. Die Experimente können durch kontinuierliche Wiederholung dreier Schritte durchgeführt werden: Zuerst werden die relevanten Größen eines Systems durch Messung bestimmt. Zweitens wird das entsprechende Potential erzeugt. Als Letztes wird das extern erstellte Potential an das System angelegt. In diesem Fall kann durch einfache Änderung des Feedback-Algorithmus, also der Vorgabe, wie der (vorherige) System-Zustand in das Potential eingeht, ein neues System konstruiert werden. Die experimentelle Umsetzung eines Feedback-getriebenen kolloidalen Systems ist Objekt eines fortlaufenden Forschungsprojekts, das wir in Kooperation mit unserem Experimental-Institut für Weiche Materie betreiben. Die spezielle Form des Potentials, die in dieser Arbeit betrachtet wird, könnte zudem für biologische autochemotaktische Systeme relevant sein.Colloidal suspensions are comprised of small solid particles suspended in a liquid. The particles are mesoscopic in size, such that they are typically much larger than the surrounding solvent molecules, yet still small compared to a macroscopic length scale. Colloidal suspensions are widely studied since the dynamics of the dispersed colloids can be seen as an upscaled and thus visible analogue of atoms. Additionally, interaction energies are of the order of the thermal energy which renders these suspensions highly sensitive to external fields and makes it easy to drive them out of equilibrium. Thus, they present ideal model systems to methodologically study both equilibrium and non-equilibrium systems. From a more applied viewpoint, it is important to understand the dynamics of colloidal suspensions as they comprise materials that we encounter on a daily basis, e.g., food items such as milk, colorants such as ink or paint and body liquids such as blood. Understanding of such materials is essential to facilitate their production or handling by evading unwanted structural and dynamical properties. Reversely, deeper insight into their characteristics and the underlying physics opens up the path to engineering products with desired properties. In particular, in recent years the field of smart materials has seen growing attention. These systems may adapt their behavior depending on a self-created or external stimulus. They thus enable a broad range of usages and give rise to fascinating behavior such as self-healing or shape-memory. This thesis aims to contribute to this topic by exploring the characteristics of colloidal suspensions under the influence of two different kinds of external fields which are introduced in the two parts of this thesis. The first part of the thesis considers the case of a charged colloidal suspension under strong confinement and driving. The system is studied via the use of dynamic density functional theory (DDFT) for which existing models were extended to include particle size effects. For a capacitor configuration, a previously unreported optimal alternating voltage frequency was found at which the impedance becomes minimal. This phenomenon appears for systems whose width is comparable to the size of the charged colloidal particles and is independent of the newly-introduced steric interactions. The observed effect could be of relevance in the development of micro-scale capacitive devices since appropriate modification of the system width allows to prescribe a resonance frequency onto the system. The second part, which is the main focus of this thesis, studies a colloidal suspension under the influence of an external feedback potential as a new form of non-equilibrium system. Here, the external potential takes a system(-history)-dependent form. The suspension is subject to forces that depend on its current or previous state, rendering the system self-adaptive. In particular, we consider the case in which the system dynamics depends on the particle positions at a delay time prior to the actual time. The effect on the colloidal particles was investigated using analytical calculations, including the derivation of a DDFT equation, and particle-resolved simulations.% Generally, two cases can be differentiated when studying the feedback potential: attractive or repulsive coupling to the previous particle positions. The particles are then either drawn back to or pushed away from their past positions. For a single particle, this leads, in the case of an attractive potential, to oscillatory motion with a reduced long-time diffusion coefficient. Contrarily, in the case of repulsive potentials, self-propulsion-like behavior with an increased long-time diffusion is observed. For many particles, the particle propulsion in the repulsive case is further accompanied by a self-ordering into moving bands, provided that the feedback strength is sufficiently high. The fact that the relatively simple form of the feedback potential considered here already leads to new patterns, indicates the rich dynamics hidden in this new type of non-equilibrium systems. The systems are experimentally accessible. In general, any form of feedback-potential can be externally constructed, e.g., via a laser intensity field, such that there is an unrestricted number of systems to be explored. The experiments can be conducted by continuously repeating three steps: First, the relevant quantities of the system are measured. Second, the desired forces are constructed corresponding to this potential. Last, the externally-programmed potential is introduced onto the system. In this case, by simply changing the externally prescribed feedback rule, that is how the (previous) system state enters the forces, a new system can be created. The experimental realization of this feedback-driven colloidal system is currently in progress as part of an ongoing collaboration with our experimental Soft Matter department. The particular form of the potential considered here may be relevant in biological systems that show autochemotactic behavior. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 21.10.2019 | |||||||
| Dateien geändert am: | 21.10.2019 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 11.09.2019 | |||||||
| Datum der Promotion: | 14.10.2019 |
