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Microrheology considering parallel relaxation channels

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Masterarbeit/Diplomarbeit
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Zusammenfassung

Rheology is the study of the flow of matter. Microrheology extends rheology to a microscopic scale by observing the motion of a microscopic tracer particle. This reduces the required amount of the sample and additionally provides information about the local viscoelastic properties. Microrheology is called active, when the tracer is moved by means of an external force. This allows to probe the nonlinear regime of the rheological quantities, i.e. when the viscosity becomes a function of the applied force. However, the relation of micro- and macrorheological quantities is not yet fully understood.

A mode coupling theory (MCT) for active microrheology has been developed by Gazuz et al. We extend this model for systems of hard spheres to higher forces. The novel approach is to decompose the memory kernel into parallel relaxation channels. In this thesis we will elaborate this new model. First, we give a derivation of the MCT equations of motion for the tracer density mode correlator. Throughout this thesis we will focus on the the long time limit of this quantity, also called tracer nonergodicity parameter. This quantity is only nonzero, when we are in the glassy state, i.e. the tracer remains localized for all times. We develop and implement a discretization scheme for the numerical solution of the long time limit. We propose several methods to find the critical force, where a delocalization transition of the tracer particle occurs and compare their results. Furthermore, we analyze the characteristics of the nonergodicity parameter. We find that the mean as well as the mean squared displacement increase strongly near the critical force. The reason for this is the evolution of an exponential tail in direction of the applied force in the probability distribution of the tracer particle. We propose a simple model to explain this tail. Finally, we can identify this feature also in the Fourier space solution.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Rheologie ist die Wissenschaft des Verformungs- und Fließverhaltens von Materie. Mikrorheologie erweitert die Messung des Fließverhaltens durch die Beobachtung der Bewegung eines mikroskopischen Teilchens (Tracer) auf die mikroskopische Ebene. Dies reduziert die nötige Probenmenge und ermöglicht zusätzlich die viskoelastischen Eigenschaften örtlich aufgelöst zu messen. Man spricht von aktiver Mikrorheologie, wenn der Tracer durch eine äußere Kraft bewegt wird. Dies erlaubt außerdem, das nichtlineare Verhalten der rheologischen Größen zu messen. Zum Beispiel hängt die Viskosität für große Kräfte von der ausgeübten Kraft ab. Allerdings ist der Zusammenhang zwischen mikro- und makrorheologischen Größen noch nicht vollständig verstanden.

Für aktive Mikrorheologie wurde eine Modenkopplungstheorie (mode coupling theory, MCT) von Gazuz et al. entwickelt. Wir erweitern dieses Modell für Systeme harter Kugeln für größere Kräfte. Der neue Ansatz besteht darin, den in der Integrodifferentialgleichung auftretenden Integralkern in parallele Relaxationskanäle zu zerlegen. In der vorliegenden Arbeit wird dieses neue Modell ausgearbeitet. Zunächst leiten wir die Evolutionsgleichungen des Korrelators der Tracerdichte in der Modenkopplungstheorie her. In dieser Arbeit beschränken wir uns hauptsächlich auf die Analyse des Langzeitlimes dieser Größe, der auch Nichtergodizitätsparameter des Tracers genannt wird. Diese Größe ist nur für glasartige Zustände von Null verschieden, d.h. wenn der Tracer für alle Zeiten in der Nähe seines Anfangsortes bleibt. Wir diskretisieren die Gleichung für den Langzeitlimes und implementieren ein Programm für die numerische Lösung. Dann schlagen wir mehrere Methoden vor, um die kritische Kraft zu finden, bei der ein Delokalisierungsübergang des Tracers stattfindet. Damit ist gemeint, dass sich der Tracer ab einer bestimmten Kraft im ganzen Glas bewegen kann. Wir vergleichen diese Methoden und analysieren anschließend die Eigenschaften des Nichtergodizitätsparameters. Wir finden heraus, dass sowohl die mittlere Verschiebung als auch das mittlere Verschiebungsquadrat in der Nähe der kritischen Kraft stark anwachsen. Ein Grund dafür ist das Auftreten eines exponentiell abklingenden Ausläufers in der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Tracers, der mit steigender Kraft an Gewicht gewinnt. Wir stellen ein einfaches Modell vor, um diesen Ausläufer zu erklären. Schließlich analysieren wir die eigentliche Lösung im Fourierraum und können die Merkmale für diesen Ausläufer im Fourierraum identifizieren.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

active microrheology, mode coupling theory, colloidal glass, delocalization transition, strong external force, nonlinear behaviour

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