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
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=7606
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20080416-140932-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Rex, Martin [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,68 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] 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.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
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