Dokument: Kolloidale Weiche Materie in äußeren Feldern: Theorie und Simulation

Titel:Kolloidale Weiche Materie in äußeren Feldern: Theorie und Simulation
Weiterer Titel:Soft colloidal matter in external driving fields: Theory and simulation
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URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20080416-140932-8
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Deutsch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor: Rex, Martin [Autor]
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Dateien vom 15.04.2008 / geändert 15.04.2008
Beitragende:Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter]
Prof. Dr. Nägele, Gerhard [Gutachter]
Stichwörter:Kolloid, hydrodynamische Wechselwirkung, Brownsche Dynamik
Dewey Dezimal-Klassifikation:500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:Die vorliegende Arbeit untersucht die Nichtgleichgewichts-Dynamik kolloidaler
Dispersionen in äußeren Feldern mit Hilfe theoretischer Methoden
und Computersimulationen. Im ersten Teil dieser Arbeit analysieren wir
mit Brownscher Dynamik Simulationen eine äquimolare binäre Mischung
entgegengesetzt geladener Kolloide, die durch ein externes elektrisches Feld
gegeneinander getrieben werden. Wenn die Stärke der externen treibenden
Kraft einen kritischen Wert überschreitet, zeigt das System einen Nichtgleichgewichts-
Phasenübergang, die sogenannte Spurbildung (lane formation). In
dieser Nichtgleichgewichtsphase ordnen sich die Partikel entlang des elektrischen
Feldes hintereinander so an, dass eine Spur ausschließlich gleich
geladene Kolloide enthält. Wir untersuchen die Natur des Phasenübergangs
und den Einfluss hydrodynamischer Wechselwirkungen und beobachten, dass
die Spuren in der Ebene senkrecht zu dem externen Feld, abhängig von der
Dichte und der Abschirmlänge, verschiedene Strukturen bilden. Wir finden
u.a. zweidimensionale Gitter- und netzwerkartige Strukturen. Die Ergebnisse
fassen wir in Nichtgleichgewichts-Phasendiagrammen zusammen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit leiten wir eine dynamische Dichtefunktionaltheorie
mit hydrodynamischen Wechselwirkungen her. Anhand dieser untersuchen
wir die zeitliche Entwicklung von Dichteprofilen harter sphärischer
Kolloide in einer instabilen optischen Falle. Wir ergänzen unsere Untersuchungen
durch extensive Computersimulationen und zeigen so die Gültigkeit
unserer Theorie. Durch den Vergleich mit Berechnungen, in denen hydrodynamische
Wechselwirkungen vernachlässigt werden, stellen wir fest, dass die
Dynamik des Systems durch die hydrodynamische Wechselwirkung deutlich
gebremst wird.
Im letzten Teil erweitern wir den Formalismus der dynamischen Dichtefunktionaltheorie
für Translationsdynamik auf die Translations- und Rotationsdynamik
anisotroper Brownscher Teilchen. Unter Verwendung einer
mean-field Näherung für das Dichtefunktional und eines Gaußschen Segmentmodels
für die Stäbchen–Stäbchen Wechselwirkung, wenden wir die dynamischen
Dichtefunktionaltheorie auf eine konzentrierte Stäbchenlösung in
einer durch zwei weiche Wände eingeschränkten Geometrie an. Zusätzlich
untersuchen wir den Einfluss eines externen Orientierungsfeldes, das die
Stäbchen senkrecht zu den Wänden ausrichtet. Wir vergleichen die Vorhersagen
unserer Theorie für die zeitliche Entwicklung der Dichteprofile mit
denen, die durch Brownsche Dynamik Simulationen gewonnen wurden, und
finden sehr gute Übereinstimmung.

In this work, we present recent results obtained for the dynamics of colloidal
dispersions out of equilibrium in external fields by means of theory and computer
simulations. In the first part of this thesis we study a binary mixture
of oppositely charged colloids which is driven by an external field by carrying
out extensive Brownian dynamics computer simulations. The particles are
driven in opposite directions by either an electric field or by gravity. While
the direct forces are chosen to be identical, the hydrodynamic interactions,
which are taken into account on the Rotne-Prager level, are different in the
two situations. In the presence of an electric field the Oseen contribution
to the mobility tensor is screened due to the forces acting on the counterion
cloud surrounding a charged colloid. The systems undergo a nonequilibrium
phase transition, the so-called lane formation, if the external driving
force exceeds a critical value. In this nonequilibrium phase particles driven
alike align behind each other and form lanes which comprise only particles
of the same charge. In the plane perpendicular to the external field we find
additionally a variety of different phases. We map out steady-state phase
diagrams for both the case where hydrodynamic interactions are neglected,
as well as when they are taken into account.
In the second chapter we derive a dynamical density functional theory
with hydrodynamic interactions and examine the out-of-equilibrium dynamical
evolution of density profiles of hard spherical colloids in an unstable
optical trap. We complement our theoretical analysis by carrying out extensive
Brownian dynamics simulations and demonstrate thereby the validity of
our theory. We predict a considerable retardation of the dynamics compared
to the case where hydrodynamic interactions are neglected.
Finally, in the third part we generalize the formalism of dynamical density
functional theory for translational Brownian dynamics to that of anisotropic
colloidal particles which perform both translational and rotational Brownian
motion. Using a mean-field approximation for the density functional and
a Gaussian-segment model for the rod interaction, the dynamical density
functional theory is then applied to a concentrated rod suspension in a confined
slab geometry made by two parallel soft walls. The walls are either
expanded or compressed and the relaxation behavior is investigated for an
equilibrated starting configuration. We find distinctly different orientational
ordering during expansion and compression. Furthermore, an external field
which aligns the rods perpendicular to the walls is turned on or switched off
and similar differences in the relaxational dynamics are found. Comparing
the theoretical predictions to Brownian dynamics computer simulation data,
we find very good agreement.
Fachbereich / Einrichtung:Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:15.04.2008
Dateien geändert am:15.04.2008
Promotionsantrag am:17.12.2007
Datum der Promotion:14.04.2008
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