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Theoretische Untersuchungen komplexer Modell-Kolloide : Computer-Simulationen struktureller und elastischer Eigenschaften

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2008

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Theory of complex, colloidal model systems: Computer simulations on structural and elastic properties
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Dissertation
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Zusammenfassung

Soft matter with its structural and elastic properties offers an attractive route to the design of new materials. In this context the importance of structured surfaces or monolayers lies in their promising, versatile technical applicability. Colloidal monolayers have proven to be valuable models in the analysis of such settings. In theoretical studies they are successfully modelled by two-dimensional systems, the interactions with substrates being conveniently modelled by external fields.
Particularly with regard to the interest in complex, two-dimensional structures for the design of new materials, the first part of this thesis focuses on structural properties of binary, two-dimensional mixtures and their controlled manipulation. Binary hard-disk mixtures are chosen as a model system. A variety of complex lattice structures are known to maximise the packing of bidisperse hard-disk mixtures in two dimensions. In this thesis it is shown via Monte Carlo simulations in the NpT ensemble, that these lattice structures are thermodynamically stable phases only in a high pressure environment. In surface structuring applications such a high, external pressure will inevitably lead to buckling. An attractive alternative to induce order in such systems offers the controlled manipulation of colloidal systems by external fields. In systematic studies via Monte Carlo simulations in the NVT ensemble of a bidisperse, equimolar hard-disk mixture with diameter ratio 0.414 subjected to an external, one-dimensional, periodic light field new, laser-induced phenomena, as Laser Induced Demixing, fissuring and Laser Induced Coexistence were found. In addition at low number densities, in the Modulated Liquid phase, these systems exhibit an induced structural crossover. The underlying ordering mechanisms and the resulting order differ considerably, depending on the details of the interaction of the components of the mixture with the external potential. On the other hand the simulations show, that slight deviations in the concentration of large particles or the diameter ratio, as they are probable to occur in any experimental realisation, have no impact on the occurrence of the various field-induced phenomena as long as the mixture stays in the relevant regime of the packing fraction. Furthermore the importance of the commensurability of the external potential to the square lattice for the occurrence of field-induced ordering is discussed.
In the second part of this thesis the focus is on the elastic properties of soft matter. In colloidal dispersions information on elastic properties can be obtained directly from the microscopic, real space trajectories of the particles. A lattice field theory is set up, which treats the local, microscopic strains as a coarse-grained order parameter field. In consideration of St. Venant's compatibility condition for the strains the Landau free energy functional is formulated and the analytic form of the various strain correlation functions is derived. Knowledge of the strain correlation functions gives not only access to the elastic moduli of the system, but also to the correlation lengths of the strains. These give the length scales on which non-local coupling is relevant in soft matter systems. The strain correlation functions are obtained for a harmonic crystal via Monte Carlo simulations and for an experimental system, a colloidal crystal. A comparison with the analytic predictions reveals the existence and importance of non-affine strains. The analysis of the experimental data shows that topological defects strongly affect the spatial anisotropy of the strain correlation functions of the shear strains.
As an application of the developed method to analyse the elastic properties of soft matter, the influence, which the presence of impurities in monolayers has on the strain correlation functions and therefore on the elastic properties, is analysed. To this end a system of monodisperse, hard disks with point-like impurities is studied via Monte Carlo simulations. The system with quenched impurities can be interpreted as a solid with interstitials. For such a system the theory of dielastica applies and a hardening of the monolayer is to be expected. A finite-size scaling analysis of the strain fluctuations in the simulations is in excellent agreement with these expectations. It shows that the insertion of 3% of point-like impurities results in a 5% rise of the bulk modulus and a 25% rise of the shear modulus. The model system can also be interpreted as a system with quenched disordered, as is the case in pinning studies. An analysis along this line, leads to the prediction of a dependence of the shear modulus on the size of the system. This is in accord with the direct analysis of the strain correlation functions obtained from the simulations.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Weiche Materie bietet aufgrund ihrer strukturellen und elastischen Eigenschaften einen Zugang zu neuen, maßgeschneiderten Materialien. In diesem Kontext sind strukturierte Oberflächen bzw. Monolagen aufgrund ihrer Vielseitigkeit im technischen Einsatz von großer Bedeutung. Insbesondere kolloidale Monolagen haben sich als wertvolle Modellsysteme für die Erforschung solcher Systeme erwiesen. Theoretische Studien bilden diese auf zwei Dimensionen ab und erfassen Wechselwirkungen mit einem Substrat durch äußere Felder.
Der erste Teil der vorliegenden Dissertation behandelt strukturelle Eigenschaften und ihre kontrollierte Manipulation in bidisperse Mischungen harter Scheiben, einem etablierten Modellsystem der Statistischen Physik. Mittels Monte Carlo Simulationen im NpT Ensemble wird gezeigt, daß komplexe Gitterstrukturen nur bei hohen hydrostatischen Drücken thermodynamisch stabile Phasen darstellen. Hohe äußere Drücke sind jedoch nur bedingt in der Oberflächenstrukturierung einsetzbar, da mit steigendem Druck die Wahrscheinlichkeit wächst, daß die Monolage in die dritte Dimension ausweicht. Da kolloidale Systeme sich hervorragend durch externe Felder manipulieren lassen, bieten z.B. externe Lichtfelder eine attraktive Alternative, um in solchen Systemen Ordnung zu induzieren. In systematischen Studien mittels Monte Carlo Simulationen im NVT Ensemble von äquimolaren, binären Mischungen harter Scheiben mit einem Verhältnis der Durchmesser von 0.414 unter dem Einfluß eines externen, eindimensional periodisch modulierten Feldes, wurden neue laser-induzierter Phänomene, wie die Laser Induzierten Entmischung, die Rissbildung und die Laser Induzierten Koexistenz, gefunden. Die Details der Ankopplung der Komponenten der Mischung an das äußere Feld beeinflussen die ordnungsinduzierenden Mechanismen und die resultierende Ordnung stark. Abweichungen in den die Mischung definierenden Parametern, wie die Konzentration der großen Teilchen und das Verhältnis der Durchmesser, hingegen haben keinen Einfluß auf das Auftreten der laser-induzierten Phänomene, sofern die Mischung im relevanten Bereich der Packungsdichte bleibt. Desweiteren wurde die Bedeutung der Kommensurabilität des externen Potentials zur Quadratgitter-Struktur für das Auftreten der laser-induzierten Phänomene untersucht.
Der zweite Teil der Dissertation wendet sich der Analyse elastischer Eigenschaften der weichen Materie zu. Diese lassen sich direkt aus den mikroskopischen Trajektorien der Teilchen des Systems im Ortsraum ermitteln. In der hier entwickelten Gitterfeldtheorie werden die auf einem Vergröberungsnetz berechneten mikroskopischen Verzerrungen im Sinne einer Landau Theorie als vergröbertes Ordnungsparameterfeld aufgefaßt. Unter Berücksichtigung der St. Venant Kompatibilitätsbedingungen, kann das Landau Funktional eines zweidimensionalen Festkörpers formuliert werden. Aus diesem Funktional lassen sich im Fourier Raum analytisch die Korrelationsfunktionen der Verzerrungen herleiten. Die Kenntnis der Korrelationsfunktionen ermöglicht die Berechnung der elastischen Konstanten und der Korrelationslängen der elastischen Verzerrungen. Letztere verdeutlichen auf welchen Längenskalen nicht-lokale Kopplungen in der weichen Materie von Bedeutung sind. Die Verzerrungskorrelationsfunktionen werden in Monte Carlo Simulationen für einen harmonischen Kristall und in einem experimentellen System für einen kolloidalen Kristall berechnet. Der Vergleich mit den analytischen Vorhersagen verdeutlicht u.a. die Existenz und Bedeutung nicht-affiner Verzerrungen. Die Auswertung experimenteller Daten zeigt, daß vor allem die Verzerrungskorrelationsfunktion der Scherfluktuationen durch das Auftreten topologische Defekte stark in ihrer räumlichen Anisotropie gestört wird.
Abschließend wird in der vorliegenden Dissertation die Auswirkung lokaler Störungen der Verzerrungsfluktuationen auf das elastische Verhalten von Monolagen untersucht. Als Modellsystem dient ein System monodisperser, harter Scheiben mit Punktstörstellen. Eine Interpretation dieses Modells mit eingefrorenen Störstellen als Festkörper mit lokalen Verunreinigungen auf Zwischengitterplätzen im Rahmen der Theorie der Dielastika, läßt eine Härtung der Monolage erwarten. Eine Skalenanalyse der Verzerrungsfluktuationen im simulierten Modellsystem bestätigt diese Erwartung. Eine Konzentration von nur 3% Punktstörstellen führt zu einem Anstieg des Kompressionsmoduls der Monolage um 5% und einem Anstieg um 25% im Schermodul. Theoretische Überlegungen im Rahmen der, im Umfeld von Pinning-Studien üblichen Mittelwertbildung über die Unordnung im System, deuten darauf hin, daß in einer solchen gepinnten Monolage der Schermodul von der Größe des simulierten Systems abhängt. Diese Vorhersage wurde durch eine Skalenanalyse der Verzerrungsfluktuationen, aber auch durch die direkte Auswertung der Verzerrungskorrelationsfunktionen bestätigt.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

zweidimensional, laser-induziertes Frieren, mikroskopische Verzerrungskorrelationen, Landau Theorie, eingefrorene Störstellen, twodimensional, laser-induced freezing, microscopic strain correlations, Landau theory, quenched impurities

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ISO 690FRANZRAHE, Kerstin, 2008. Theoretische Untersuchungen komplexer Modell-Kolloide : Computer-Simulationen struktureller und elastischer Eigenschaften [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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December 8, 2008
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