Publikation:

Dynamics and structure of a colloidal glass former in two dimensions

Lade...
Vorschaubild

Dateien

diss_ebert.pdf
diss_ebert.pdfGröße: 11.91 MBDownloads: 831

Datum

2008

Autor:innen

Ebert, Florian

Herausgeber:innen

Kontakt

ISSN der Zeitschrift

Electronic ISSN

ISBN

Bibliografische Daten

Verlag

Schriftenreihe

Auflagebezeichnung

DOI (zitierfähiger Link)
ArXiv-ID

Internationale Patentnummer

Angaben zur Forschungsförderung

Projekt

Open Access-Veröffentlichung
Open Access Green
Core Facility der Universität Konstanz

Gesperrt bis

Titel in einer weiteren Sprache

Dynamik und Struktur eines kolloidalen Glassbildners in zwei Dimensionen
Publikationstyp
Dissertation
Publikationsstatus
Published

Erschienen in

Zusammenfassung

The system investigated in this work consists of two types of super-paramagnetic colloidal spheres with different diameters. They are confined at a water-air interface due to gravity where they are subjected to Brownian motion. The system can be considered as ideally two dimensional, since the motion in the vertical direction is only in the range of a few tens of nanometers. The dipolar pair interaction between particles is controlled over a wide range via an external magnetic field which is expressed in a dimensionless interaction parameter Gamma. This can be interpreted as the inverse system temperature. Video microscopy provides trajectories of typically 3000 particles on all relevant time and length scales. The long-time stability of the experimental setup enables sample stabilization over many months and data acquisition over several days. It was found that this binary mixture of magnetic dipoles is a good model system of a 2D glass former as the dynamics and structure shows characteristic glassy behavior: when the interaction strength is increased, the system viscosity increases over several orders of magnitude while the global structure remains amorphous. The dependency on dimensionality appears not characteristic as the system exhibits the full range of glass phenomenology like 3D glass formers. Experimental data was compared with Mode Coupling Theory: the mean square displacements agree with those of a 2D glass former of hard discs for more than four decades in time, provided that the interaction strength of the dipoles and the packing fraction of the hard discs are properly related to each other. The relation between interaction strength and system viscosity behaves Arrheniuslike which is characteristic for a strong glass former. For all measured interaction strengths the system shows no long-range order as probed with bond order correlation functions. However, on a local scale it reveals non-trivial ordering phenomena: partial clustering and local crystallinity: Partial clustering means that the small particles tend to form loose clusters while the big particles are homogeneously distributed. The origin of this effect is traced back to the negative nonadditivity of the dipolar pair potential. The clustering of small particles introduces an additional length scale that is accompanied by a small wave vector prepeak in the static structure factor of the small particles. Furthermore, the detailed partial clustering scenario is quantified using Minkowski functionals. Changing the interaction strength ¡ reveals that the principle scenario does not qualitatively depend on the interaction strength. However, the strength of the effect is correlated with the relative concentration. The partial clustering leads locally to a heterogeneous relative concentration and for increasing interaction strengths to a variety of stable local crystallites (local crystallinity). This originates from the tendency of the binary mixture to crystallize into a small set of crystal structures: hexagonal order of big particles, chains of small particles, simple quadratic, and rhombic. This was shown on one hand by the appearance of extended stable crystal grains and on the other hand by the peaks of the pair correlation functions which are in unique agreement with these lattice structures. Changing the relative concentration of the mixture does not affect the positions of the peak structure in the pair correlation functions, but it modifies the relative peak heights. This demonstrates that crystal structures do not change by themselves but only their relative contribution to the globally disordered state. The rapid decay of the fourfold bond order correlation function reveals that increasing the interaction parameter does not significantly enhance long-range order but strongly enhances local fourfold order, as found in the local bond order statistics. Three selection criteria (local relative concentration, local bond order, and local bond lengths) were combined to probe the amount of square unit cells for a given interaction strength. A continuous increase with some indication of a change in slope near Gamma=50 is found which might indicate an underlying phase transition. The saturation at high Gamma values depends on the individual history and local composition of the sample. The local dynamics as visualized by displacement-fields and integrated individual squared displacement fields, reveals a strong spatial heterogeneous velocity distribution: dynamical heterogeneities. The qualitative appearance is strongly dependent on the interaction strength.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Das untersuchte 2D Kolloidsystem besteht aus zwei Sorten von superparamagnetischen Teilchen mit unterschiedlichen Durchmessern. Durch ihr Gewicht sind die Teilchen an einer Wasser-Luft Grenzfläche in zwei Dimensionen eingeschränkt und bewegen sich dort aufgrund der Brownschen Bewegung. Das System kann als ideal zweidimensional betrachtet werden, da die Auslenkung der Teilchen aus der Ebene heraus nur einige zehn Nanometer beträgt. Die dipolare Paarwechselwirkung der Teilchen wird über einen weiten Bereich über ein externes Magnetfeld kontrolliert. Dies wird mit Hilfe eines dimensionslosen Wechselwirkungsparameters ausgedrückt, der einer inversen Systemtemperatur entspricht. Durch Videomikroskopie können die Trajektorien von typischerweise 3000 Teilchen auf allen relevanten Zeit- und Längenskalen aufgezeichnet werden. Die Langzeitstabilität des experimentellen Aufbaus ermöglicht die Stabilisierung einer Probe über Monate hinweg sowie Datenaufzeichnungen über einige Tage. Das binäre System magnetischer Dipole hat sich als ein gutes Modellsystem für einen Glasbildner in 2D herausgestellt, da sowohl Struktur als auch Dynamik charakteristisch glasartiges Eigenschaften aufweisen: wird die Wechselwirkungsstärke erhöht, steigt die Viskosität des Systems über mehrere Größenordnungen an, während gleichzeitig keine langreichweitige Ordnung entsteht. Es zeigt sich keine charakteristische Abhängigkeit von der Dimensionalität, da das System sämtliche Glaseigenschaften von 3D Glasbildern aufweist. Die experimentellen Daten wurden mit der Modenkopplungstheorie verglichen: die mittleren quadratischen Verschiebungen stimmen mit denen eines 2D Glasbildners aus harten Scheiben über mehr als vier Dekaden in der Zeit überein. Voraussetzung dabei ist, dass der Wechselwirkungsparameter der Dipole mit der Packungsdichte der harten Scheiben in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt ist. Der Zusammenhang des Wechselwirkungsparameters und der Viskosität des Systems, verhält sich Arrhenius-artig, was charakteristisch für einen starken Glasbildner ist. Für alle gemessenen Wechselwirkungsstärken zeigt das System keine langreichweitige Ordnung, was durch 'Bond-Order'-Korrelationsfunktionen bestätigt wird. Jedoch zeigt das System auf lokaler Skala nicht-triviale Ordnungsphänomene: Partielles Clustern und lokale Kristallinität: Partielles Clustern bedeutet, dass die kleinen Teilchen dazu neigen, lose Cluster zu bilden, während die großen Teilchen homogen verteilt bleiben. Der Ursprung dieses Effekts wird auf die negative Nicht-Additivität des dipolaren Paarpotentials zurückgeführt. Das Clustern der kleinen Teilchen erzeugt eine zusätzliche Längenskala, die durch das Auftreten eines 'Pre-Peaks' bei kleinen Wellenvektoren im statischen Strukturfaktor der kleinen Teilchen begleitet wird. Des Weiteren wurde das detaillierte Cluster-Szenario durch Minkowski Funktionale quantifiziert. Durch eine Änderung der Wechselwirkungsstärke ändert sich das Szenario im Prinzip nicht. Die Stärke des Effekts korreliert jedoch stark mit der relativen Konzentration der kleinen Teilchen. Das partielle Clustern führt lokal zu einer heterogenen relativen Konzentration und für zunehmende Wechselwirkungsstärken zu einer Vielzahl stabiler lokaler Kristallite (lokale Kristallinität). Dies liegt an der Tendenz der binären Mischung, in einen kleinen Satz von Kristallstrukturen zu kristallisieren: hexagonale Ordnung von großen Teilchen, Ketten von kleinen Teilchen, einfach quadratisch und rhombisch. Einerseits wird dies durch das Auftreten ausgedehnter stabiler Kristallkörner bestätigt und andererseits durch die Peaks der Paarkorrelationsfunktion, welche mit diesen Gitterstrukturen eindeutig zusammenpassen. Die Änderung der relativen Konzentration der Mischung beeinflusst nicht die Peakstruktur der Paarkorrelationsfunktion, sondern modifiziert lediglich die relativen Peakhöhen. Dies zeigt, dass sich die Kristallstrukturen nicht an sich ändern, sondern nur deren relativer Beitrag zur global ungeordneten Struktur. Der schnelle Zerfall der vierzähligen 'Bond-Order' Korrelationsfunktion zeigt, dass die Erhöhung des Wechselwirkungsparameters die langreichweitige Ordnung nicht wesentlich erhöht, aber sehr wohl den Grad der lokalen vierzähligen Ordnung, was durch die lokale 'Bond-Order' Statistik belegt wird. Es wurden drei Auswahlkriterien kombiniert (lokale relative Konzentration, lokale 'Bond-Order' und lokale Bond-Längen), um die Menge an Quadrateinheitszellen in Abhängigkeit der Wechselwirkungsstärke Gamma zu bestimmen. Dabei wurde ein kontinuierlicher Anstieg festgestellt, wobei es Anzeichen einer Änderung der Steigung bei Gamma=50 gibt, die von einem zugrunde liegenden Phasenübergang stammen könnten. Die Sättigung bei hohen Wechselwirkungsstärken hängt von der jeweiligen Vorgeschichte und der lokalen Zusammensetzung der Probe ab. Die lokale Dynamik, dargestellt durch Verschiebungsfelder und individuelle integrierte quadratische Verschiebungsfelder, zeigt starke räumlich-heterogene Geschwindigkeitsverteilungen: dynamische Heterogenitäten. Die qualitative Erscheinung hängt stark von der Wechselwirkungsstärke ab.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

2D Physik, 2D Glas

Konferenz

Rezension
undefined / . - undefined, undefined

Forschungsvorhaben

Organisationseinheiten

Zeitschriftenheft

Zugehörige Datensätze in KOPS

Zitieren

ISO 690EBERT, Florian, 2008. Dynamics and structure of a colloidal glass former in two dimensions [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
BibTex
@phdthesis{Ebert2008Dynam-8913,
  year={2008},
  title={Dynamics and structure of a colloidal glass former in two dimensions},
  author={Ebert, Florian},
  address={Konstanz},
  school={Universität Konstanz}
}
RDF
<rdf:RDF
    xmlns:dcterms="http://purl.org/dc/terms/"
    xmlns:dc="http://purl.org/dc/elements/1.1/"
    xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"
    xmlns:bibo="http://purl.org/ontology/bibo/"
    xmlns:dspace="http://digital-repositories.org/ontologies/dspace/0.1.0#"
    xmlns:foaf="http://xmlns.com/foaf/0.1/"
    xmlns:void="http://rdfs.org/ns/void#"
    xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#" > 
  <rdf:Description rdf:about="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/8913">
    <dc:format>application/pdf</dc:format>
    <dcterms:rights rdf:resource="https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/"/>
    <foaf:homepage rdf:resource="http://localhost:8080/"/>
    <dc:contributor>Ebert, Florian</dc:contributor>
    <dcterms:issued>2008</dcterms:issued>
    <dcterms:available rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2011-03-24T17:51:36Z</dcterms:available>
    <dspace:hasBitstream rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/8913/1/diss_ebert.pdf"/>
    <dspace:isPartOfCollection rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/41"/>
    <dc:language>eng</dc:language>
    <dc:date rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2011-03-24T17:51:36Z</dc:date>
    <bibo:uri rdf:resource="http://kops.uni-konstanz.de/handle/123456789/8913"/>
    <void:sparqlEndpoint rdf:resource="http://localhost/fuseki/dspace/sparql"/>
    <dcterms:hasPart rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/8913/1/diss_ebert.pdf"/>
    <dcterms:abstract xml:lang="eng">The system investigated in this work consists of two types of super-paramagnetic colloidal spheres with different diameters. They are confined at a water-air interface due to gravity where they are subjected to Brownian motion. The system can be considered as ideally two dimensional, since the motion in the vertical direction is only in the range of a few tens of nanometers. The dipolar pair interaction between particles is controlled over a wide range via an external magnetic field which is expressed in a dimensionless interaction parameter Gamma. This can be interpreted as the inverse system temperature. Video microscopy provides trajectories of typically 3000 particles on all relevant time and length scales. The long-time stability of the experimental setup enables sample stabilization over many months and data acquisition over several days. It was found that this binary mixture of magnetic dipoles is a good model system of a 2D glass former as the dynamics and structure shows characteristic glassy behavior: when the interaction strength is increased, the system viscosity increases over several orders of magnitude while the global structure remains amorphous. The dependency on dimensionality appears not characteristic as the system exhibits the full range of glass phenomenology like 3D glass formers. Experimental data was compared with Mode Coupling Theory: the mean square displacements agree with those of a 2D glass former of hard discs for more than four decades in time, provided that the interaction strength of the dipoles and the packing fraction of the hard discs are properly related to each other. The relation between interaction strength and system viscosity behaves Arrheniuslike which is characteristic for a strong glass former. For all measured interaction strengths the system shows no long-range order as probed with bond order correlation functions. However, on a local scale it reveals non-trivial ordering phenomena: partial clustering and local crystallinity: Partial clustering means that the small particles tend to form loose clusters while the big particles are homogeneously distributed. The origin of this effect is traced back to the negative nonadditivity of the dipolar pair potential. The clustering of small particles introduces an additional length scale that is accompanied by a small wave vector prepeak in the static structure factor of the small particles. Furthermore, the detailed partial clustering scenario is quantified using Minkowski functionals. Changing the interaction strength ¡ reveals that the principle scenario does not qualitatively depend on the interaction strength. However, the strength of the effect is correlated with the relative concentration. The partial clustering leads locally to a heterogeneous relative concentration and for increasing interaction strengths to a variety of stable local crystallites (local crystallinity). This originates from the tendency of the binary mixture to crystallize into a small set of crystal structures: hexagonal order of big particles, chains of small particles, simple quadratic, and rhombic. This was shown on one hand by the appearance of extended stable crystal grains and on the other hand by the peaks of the pair correlation functions which are in unique agreement with these lattice structures. Changing the relative concentration of the mixture does not affect the positions of the peak structure in the pair correlation functions, but it modifies the relative peak heights. This demonstrates that crystal structures do not change by themselves but only their relative contribution to the globally disordered state. The rapid decay of the fourfold bond order correlation function reveals that increasing the interaction parameter does not significantly enhance long-range order but strongly enhances local fourfold order, as found in the local bond order statistics. Three selection criteria (local relative concentration, local bond order, and local bond lengths) were combined to probe the amount of square unit cells for a given interaction strength. A continuous increase with some indication of a change in slope near Gamma=50 is found which might indicate an underlying phase transition. The saturation at high Gamma values depends on the individual history and local composition of the sample. The local dynamics as visualized by displacement-fields and integrated individual squared displacement fields, reveals a strong spatial heterogeneous velocity distribution: dynamical heterogeneities. The qualitative appearance is strongly dependent on the interaction strength.</dcterms:abstract>
    <dc:creator>Ebert, Florian</dc:creator>
    <dcterms:isPartOf rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/41"/>
    <dc:rights>terms-of-use</dc:rights>
    <dcterms:title>Dynamics and structure of a colloidal glass former in two dimensions</dcterms:title>
    <dcterms:alternative>Dynamik und Struktur eines kolloidalen Glassbildners in zwei Dimensionen</dcterms:alternative>
  </rdf:Description>
</rdf:RDF>

Interner Vermerk

xmlui.Submission.submit.DescribeStep.inputForms.label.kops_note_fromSubmitter

Kontakt
URL der Originalveröffentl.

Prüfdatum der URL

Prüfungsdatum der Dissertation

November 13, 2008
Finanzierungsart

Kommentar zur Publikation

Allianzlizenz
Corresponding Authors der Uni Konstanz vorhanden
Internationale Co-Autor:innen
Universitätsbibliographie
Begutachtet
Diese Publikation teilen