Dokument: Structure and Dynamics of Colloids in Quasicrystalline Optical Fields
| Titel: | Structure and Dynamics of Colloids in Quasicrystalline Optical Fields | |||||||
| Weiterer Titel: | Struktur und Dynamik von Kolloiden in quasikristallinen optischen Feldern | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=60678 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20220926-085122-0 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Marciniak, Caroline-Christine [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Egelhaaf, Stefan U. [Gutachter] Prof. Dr. Dhont, Jan K. G. [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Colloids, Quasicrystals, Digital Micromirror Device | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Kugelförmige Polystyrol-Mikroteilchen (Durchmesser d = 2.1μm) in einer Mischung aus Wasser (H2O) und schwerem Wasser (D2O) wurden in Lichtfeldern mit quasikristalliner
10-facher Rotationssymmetrie unter dem Lichtmikroskop untersucht. Anders als periodische Kristalle, haben so genannte Quasikristalle keine Translationsordnung, sondern eine orientierungsabhängige Ordnung mit langer Reichweite. Das bedeutet, dass sich die Ordnung erst bei Betrachtung längerer Abschnitte des Kristalls äußert. Quasikristalle sind ein populäres Forschungsobjekt, um z. B. ihre Stabilitäts- und Entstehungsmechanismen auf vielfältige Art zu studieren besonders im Bereich der weichen Materie. In dieser Arbeit werden kolloidale Quasikristalle in sechs verschiedenen Lichtfeldern studiert, welche sich durch Überlappung von Doppelringen an Positionen eines dekagonalen (mit 10- facher Rotationssymmetrie) “Tübingen” Kachelmusters konstruieren lassen. Dabei muss das Verhältnis der Radien zueinander aus Stabilitätsgründen nah am so genannten goldenen Schnitt (ϕ ≈ 1.618) liegen. Die Template-Muster werden zu einem so genannten Digital Micromirror Device (DMD) gesendet, welches wiederum von einem aufgeweiteten Laserstrahl mit Gauss’schem Intensitätsprofil beleuchtet wird. Wegen der periodischen Anordnung der Mikrospiegel des DMD, kommt es zu Beugungseffekten, die bei der Anordnung und dem Aufbau einkalkuliert werden müssen. Die Effekte treten vor allem bei Verwendung einer kohärenten Beleuchtung z.B. mit einem Laser auf. Der Spiegelarray des DMD projiziert ein Bild in Graustufen in die Probenebene, wobei jeder Mikrospiegel einem Bildpixel entspricht. Die Teilchen ordnen sich in einer 2D-Ebene in der Probe nach dem Muster des Lichtfelds an, wobei sie in einem harmonischen Potential mithilfe optischer Fallen an Positionen gefangen werden, die zusammen einen quasikristallines Muster ergeben. Proben mit verschiedener Teilchenkonzentration werden in sechs unterschiedlichen Templates mit 10-facher Rotationssymmetrie untersucht, wobei auch der Einfluss der Stärke des Lichtfeld-Potentials durch Variation der Laserintensität studiert wird. Die daraus resultierenden quasikristallinen Strukturen werden im Fourierraum als Beugungsmuster untersucht. Diese weisen so genannte Bragg-Peaks auf wohldefinierten Positionen auf, die auf eine 10-fache langreichweitige Orientierungsordnung hindeuten. Aus der Analyse der Dynamik der Teilchen in den Lichtfeldern geht hervor, dass die Teilchen auf dem Template Sprünge sowohl von einem Minimum des Potentials zum nächsten, als auch innerhalb eines Minimums absolvieren. Diese Sprünge werden mit einem so genannten “Phop-Algorithmus” erkannt, welcher die Position und den Zeitpunkt eines Sprunges detektiert. Die Zeit τh, die ein Teilchen zwischen zwei Sprüngen benötigt, kann daraus hergeleitet werden. Dabei zeigte sich, dass die Zeiten eine Kategorisierung in kurze Sprünge innerhalb einer optischen Falle als auch Sprünge von einer Falle zur nächsten erlauben, indem für kurze und lange Zeiten jeweils ein exponentieller Fit an die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Zeiten durchgeführt wird. Zusätzlich wird über den so genannten “packing coefficient” aus dem Kompaktheitsgrad der Trajektorie die Zeit bestimmt, die ein Teilchen in einer optischen Falle des Lichtfelds verbringt. Diese Zeiten weisen einen Überlappungsbereich mit den längeren Zeiten aus der Phop-Analyse auf, was darauf hindeutet, dass diese Sprünge von Falle zur Falle geschehen. Es zeigt sich, dass eine höhere Teilchenkonzentration die Zeit zwischen zwei Sprüngen verringert, da die Interaktionen zwischen den Teilchen an Bedeutung gegenüber dem Lichtfeld gewinnen und somit die Wahrscheinlichkeit für Sprünge bei kürzeren Zeiten erhöhen. Währenddessen erzeugen höhere Laserintensitäten eine Verstärkung des Potentials und erhöhen somit die Zeit, die die Teilchen in einer Falle verbringen. Unter den getesteten Templates ergab sich, dass das Template mit Positionen in einem Abstand von zwei Teilchendurchmessern längere Zeiten zwischen den Sprüngen aufweist als ein Template mit längeren Abständen zwischen den Positionen. Kurze Sprünge, das heißt, Fluktuationen innerhalb einer optischen Falle an den Templatepositionen, wurden weder durch die Teilchenkonzentration, noch durch die Laserintensität beeinflusst. Schließlich wurden noch Experimente mit so genannten holografischen optischen Pinzetten durchgeführt, welche statt einem DMD einen so genannten “Liquid-crystal Spatial Light Modulator” (LC-SLM) zur erzeugung der Lichtfelder verwenden. Hierbei wurden hexagonale Kristalle (mit 6-facher Rotationssymmetrie) durch Rückkopplung des Lichtfeld an die Teilchenpositionen erzeugt. Lichtfelder mit zwei Längenskalen, z. B. Doppelringe mit Radienverhältnissen, die Quasikristalle ermöglichen, führten zu der Bildnung von Teilchen-Clustern mit lokaler 4- oder 12-facher Rotationssymmetrie und so genannten hexagonalen Kristallzwillingen.Spherical micron-sized polystyrene particles (diameter d = 2.1μm) dispersed in a water/heavywater mixture are being studied in light fields with a quasicrystalline 10-fold rotational symmetry under bright-field microscopy. Unlike periodic crystals, quasicrystals possess no translational, but a long-range orientational order. Quasicrystals are popular objects to study and e. g. their stability mechanisms and formation can be examined diversely in soft matter systems. In this work, the formation of colloidal quasicrystals is studied in six different light fields constructed from overlaying double rings positioned on a decagonal (10-fold) “Tuebingen” tiling. The ratio of the ring radii needs to be close to the so-called golden mean (ϕ ≈ 1.618) due to stability reasons. The patterns acting as templates are uploaded on a so-called Digital Micromirror Device (DMD), which is illuminated by an expanded Gaussian laser beam (λ = 532nm). Due to the periodic arrangement of the DMD mirrors, diffraction effects arise predominantly with a coherent illumination source like a laser, which have to be accounted for during the construction and alignment of the setup. The whole mirror array projects a greyscale image into a sample plane, where each micro-mirror represents one image pixel. The particles can arrange according to the light field in an effective 2D system and can be “trapped” in a harmonic potential at positions for quasicrystalline symmetry. Samples with different particle concentrations are being studied under six different 10-fold template patterns with varying field potential amplitude by adjusting the laser intensity. The resulting quasicrystalline structures are analysed in Fourier Space as diffraction patterns, which show Bragg peaks on defined positions indicative of a decagonal long-range orientational order. By analysing the dynamics of the particles in the decagonal light field it has been found, that the particles are performing jumps on the template, from one minimum of the light field potential to another as well as inside the minimum. These jumps are located with a phop-algorithm, which registers the time and position of a jump. The hop time τh between these “hops” is calculated to estimate the time, the particles require for one jump. It shows, that there are two time regimes at short and long times, which are representative of the movement in a trap and the jumping from one trap position to another respectively and can be separated via exponential fitting to the probability distributions of the jump times. Additionally, the time a particle spent trapped in the template potential has been determined by quantifying the compactness of a trajectory with the so-called packing coefficient. These residence times showed an overlap with the longer times between two particle jumps, indicating that the particles are jumping from one trap to another. It has been found that a higher laser intensity increases the time a particle stays trapped in a tiling position due to increased strength of the potential. A higher particle concentration lowers the time between two jumps, since inter-particle interactions gain dominance over the light-field potential, raising the probability of shorter jump times. Among the tested templates, the one with a tiling distance of two times the particle diameter showed longer dwell times, than the template with larger distances. The short jumps, i. e. particle fluctuations inside of a trap were neither influenced by a variation in the laser intensity nor by changing the particle concentration. Finally, experiments were conducted with a holographic-optical-tweezers setup. Here, a liquid-crystal spatial light modulator (LC-SLM) is used instead of the Digital Micromirror Device as the method for creating light fields. Hexagonal (6-fold) crystals are constructed from feedback programming of a light field that adapts to the current particle positions. Light potentials with two length scales e. g. Gaussian double rings that support quasicrystalline symmetry did form metastable clusters with local 4-fold and 12-fold symmetries. Additionally, hexagonal crystal twins were found. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Physik der kondensierten Materie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 26.09.2022 | |||||||
| Dateien geändert am: | 26.09.2022 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 07.04.2022 | |||||||
| Datum der Promotion: | 08.08.2022 |
