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From Triplet Correlations to Triplet Interactions in Colloidal Suspensions

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2006

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Ruß, Carsten

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Von Drei-Teilchen-Korrelationen zu Drei-Teilchen-Wechselwirkungen in kolloidalen Suspensionen
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

In this work, we have been dealing with some of the many aspects that make colloidal systems such an interesting topic in today s physics. One interesting feature, for example, is the ability to observe individual particles with video-microscopy and to study thus phase behaviour and structural properties live on screen. Another feature is the frequent presence of additional components in colloidal suspensions. As one is usually interested in the colloidal particles only, the additional component s degrees of freedom are integrated out which leads to effective interaction potentials between the colloidal particles. These effective interactions will always contain many-body contributions even when all the basic interactions are strictly pair-wise.

In particular, we have been dealing with two experimental systems. Both have been observed by video-microscopy and we had therefore access to the full positional data at all times. The first system, the magnetic system, is a simple liquid and interacts with a strictly pair-wise magnetic dipole-dipole potential. The second system, the charged system, is a complex liquid because of the presence of additional micro-ions. The particle interactions thus include also many-body contributions.

The numerical calculation of such many-body interactions in my diploma thesis has been the starting point of this work. With this background, we wanted to study the effect of triplet interactions on structural properties. In particular, we wanted to find out, if these triplet interactions can actually be found in experimental data. With video-microscopy, we had access to the full positional data and we could, for the first time, directly extract distribution functions of higher order from experimental data. Thence, the key questions of this work arose: Can we find any traces of triplet interactions in these experimental distribution functions and, subsequently, can we reversely extract triplet interaction potentials from the distribution functions?
As a preparation, we have been studying triplet distribution functions first. Contrary to previous investigations, video-microscopy enabled us for the first time to obtain experimental triplet distribution functions. We have been studying the triplet distribution functions regarding the popular superposition approximation of Kirkwood in detail, quantified its errors with the triplet potential of mean force and checked the thermodynamic consistency of the superposition approximation with the Born-Green equation. To clearly separate triplet correlation energies from true triplet interaction energies, we chose to concentrate these investigations on the magnetic system, which is a simple liquid with pair interactions only. We have found that even in a purely pair-wise interacting system, triplet correlation energies can be up to 4kT strong.

Subsequent to this important preparatory work on the the magnetic system we turned back to the charged system with possible triplet interactions. To finally extract triplet interactions from triplet distribution functions, we developed two methods. In the first, we were exploiting the limiting behaviour of the distribution functions at low densities. In the second, we have extended the inverse Monte-Carlo method of Almarza and Lomba to triplet interactions. Both methods provided us with the ability to study triplet interactions in situ. We now had the capability to extract the full three-dimensional parameter dependency of the triplet interactions from the positional data of colloidal particles in suspension. This was a major improvement over previous experimental approaches which yield only triplet interactions of isolated particles in limited geometries.

We have been applying both methods on reference Monte-Carlo simulations where we could selectively switch triplet interactions on and off. In addition to testing the accuracy and limitations of both methods, we have learned furthermore that we generally need to consider higher order distribution functions to properly extract higher order interactions. Even comparably strong triplet interactions hardly affected the pair distribution function. And even more important, this slightly modified pair distribution function could always be explained with an effective pair potential which hardly differs from the true pair potential. It is therefore essential to go beyond pair distribution functions if one wants to extract many-body potentials from structural data. This justifies and explains the basic idea of this work.
Finally, after predicting triplet interactions theoretically, we were able to observe triplet interactions at work in colloidal suspensions. And indeed, we have found an attractive potential of considerable strength in the charged system. It is, however, too short-ranged to significantly influence structural properties.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

In dieser Arbeit haben wir uns mit mehreren Aspekten beschäftigt, die kolloidale Systeme so interessant machen. Wir können zum Beispiel einzelne Teilchen per Video-Mikroskopie beobachten und so das Phasenverhalten und Struktureigenschaften direkt untersuchen. Eine weitere Eigenschaft ist die häufige Anwesenheit zusätzlicher Teilchensorten. Da man an deren Verhalten aber gar nicht im Detail interessiert ist, können ihre Freiheitsgrade ausintegriert werden, und man erhält effektive Wechselwirkungen zwischen den Kolloiden. Diese Wechselwirkungen enthalten immer auch Mehr-Teilchen-Wechselwirkungen, auch wenn ausschließlich Paarpotentiale zugrundeliegen.

Zwei verschiedene experimentelle System wurden von uns untersucht. Bei beiden hatten wir durch die Beobachtung per Video-Mikroskopie Zugang zu den vollständigen Positionsdaten. Das erste System ist eine einfache Flüssigkeit (simple liquid), bei dem die Kolloide über ein magnetisches Dipol-Dipol-Potential interagieren. Das zweite System ist eine komplexe Flüssigkeit, da neben den elektrisch geladenen Kolloiden eine Vielzahl von Mikroionen zu der Gesamtwechselwirkung beiträgt. Die effektive Makroionen-Wechselwirkung enthält somit zwingend Mehr-Teilchen-Wechselwirkungen.

Ausgangspunkt war die numerische Berechnung solcher Mehr-Teilchen-Potentiale in meiner Diplomarbeit. Vor diesem Hintergrund wollten wir die Auswirkungen von Drei-Teilchen-Wechselwirkungen auf die Struktur untersuchen. Insbesondere wollten wir herausfinden, ob sich Drei-Teilchen-Wechselwirkungen in experimentellen Daten nachweisen lassen. Da wir Zugang zu den vollständigen Positionsdaten hatten, konnten wir als Erste direkt Mehr-Teilchen-Verteilungsfunktionen aus experimentellen Daten extrahieren. Daraus ergab sich die Schlüsselfrage dieser Arbeit: Finden wir in diesen Verteilungsfunktionen einen Hinweis auf Drei-Teilchen-Wechselwirkungen und können wir das Potential dieser Wechselwirkungen aus den Daten bestimmen?

Zur Vorbereitung haben wir uns zunächst die Drei-Teilchen-Verteilungsfunktion im Detail studiert. Dabei haben wir uns mit der Kirkwood Superposition Approximation beschäftigt, deren Ungenauigkeit mit dem Triplet-Potential der mittleren Kraft quantifiziert sowie die thermodynamische Konsistenz mit der Born-Green-Gleichung überprüft. Unsere Untersuchungen haben sich auf das magnetische System konzentriert, da wir dort sicher sein konnten, keine Mehr-Teilchen-Wechselwirkungen vorzufinden. Sogar in diesem rein paarweise interagierendem System fanden wir Drei-Teilchen-Korrelationsenergien von bis zu 4kT.

Im Anschluß an diese wichtige Vorarbeit haben wir uns dem elektrostatisch interagierendem System zugewandt, in dem Drei-Teilchen-Wechselwirkungen möglich sind. Um diese letztlich bestimmen zu können, haben wir zwei unterschiedliche Methoden entwickelt. Die Erste nutzt das Verhalten der Verteilungsfunktionen im Limes geringer Dichte. Bei der Zweiten haben wir die inverse Monte-Carlo Methode von Almarza und Lomba um Drei-Teilchen-Wechselwirkungen erweitert. Beide Methoden erlauben uns Drei-Teilchen-Wechselwirkung im System zu studieren. Desweiteren konnten wir die volle drei-dimensionale Parameterabhängigkeit des Triplet-Potentials extrahieren. Diese beiden Punkte stellen eine wesentliche Verbesserung gegenüber anderen Ansätzen dar, in denen nur spezielle Geometrien isolierter Teilchen untersucht wurden.

Beide Methoden wurden an Referenz Monte-Carlo Simulationen getestet, bei denen wir Drei-Teilchen-Wechselwirkungen nach Belieben an- und ausschalten konnten. Dabei konnten wir nicht nur die Genauigkeit und die Grenzen beider Ansätze testen, sondern wir haben auch gelernt, daß wir ohne eine Betrachtung der Verteilungsfunktion höherer Ordnung keinerlei Aussage über Wechselwirkungen höherer Ordnung treffen können. Denn für eine merkliche Änderung der Paar-Verteilungsfunktion benötigen wir äußerst kräftige Triplet-Potentiale. Und diese leicht geänderte Paar-Verteilungsfunktion kann immer mit einem effektiven Paar-Potential erklärt werden, daß sich nur sehr wenig vom wahren Paar-Potential unterscheidet. Es ist daher absolut notwendig über eine Betrachtung der Paar-Verteilungsfunktion hinauszugehen, wenn man daran interessiert ist, Mehr-Teilchen-Wechselwirkungen aus Strukturdaten zu extrahieren. Dies ist die fundamentale Erkenntnis dieser Arbeit.

Nachdem wir also aus theoretischen Überlegungen heraus, die Existenz von Drei-Teilchen-Wechselwirkungen vorhergesagt hatten, hatten wir uns nun in die Lage versetzt, sie auch im Experiment nachweisen zu können. Und tatsächlich konnten wir ein deutlich attraktives Potential im geladenen System nachweisen. Es ist jedoch zu kurzreichweitig, um einen merklichen Einfluß auf Struktur oder Phasenverhalten zu haben.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

Effektive Wechselwirkung, komplexe Flüssigkeit, inverse Monte-Carlo Simulation, effective interactions, complex liquid, two dimensional system, inverse Monte-Carlo, Kirkwood superposition approximation

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ISO 690RUSS, Carsten, 2006. From Triplet Correlations to Triplet Interactions in Colloidal Suspensions [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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We have found that even in a purely pair-wise interacting system, triplet correlation energies can be up to 4kT strong.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;Subsequent to this important preparatory work on the the magnetic system we turned back to the charged system with possible triplet interactions. To finally extract triplet interactions from triplet distribution functions, we developed two methods. In the first, we were exploiting the limiting behaviour of the distribution functions at low densities. In the second, we have extended the inverse Monte-Carlo method of Almarza and Lomba to triplet interactions. Both methods provided us with the ability to study triplet interactions in situ. We now had the capability to extract the full three-dimensional parameter dependency of the triplet interactions from the positional data of colloidal particles in suspension. This was a major improvement over previous experimental approaches which yield only triplet interactions of isolated particles in limited geometries.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;We have been applying both methods on reference Monte-Carlo simulations where we could selectively switch triplet interactions on and off. In addition to testing the accuracy and limitations of both methods, we have learned furthermore that we generally need to consider higher order distribution functions to properly extract higher order interactions. Even comparably strong triplet interactions hardly affected the pair distribution function. And even more important, this slightly modified pair distribution function could always be explained with an effective pair potential which hardly differs from the true pair potential. It is therefore essential to go beyond pair distribution functions if one wants to extract many-body potentials from structural data. 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February 23, 2007
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