Janus-Nanopartikel in begrenzter Geometrie: Struktur und Phasenverhalten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im vorliegenden Projekt wurden Eigenschaften eines einkomponentigen, klassischen Spinfluids untersucht, das als einfaches Modellsystem für Fluide aus amphiphilen Molekülen aufgefasst werden kann. Die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Molekülen sind kurzreichweitig und bestehen aus einem sphärisch symmetrischen Lennard-Jones Kern mit überlagerten, attraktiven Dispersionswechselwirkungen im Sinne des dreidimensionalen Heisenberg-Modells. Aufgrund der Anisotropie der intermolekularen Wechselwirkungen ist dieses Modellsystem in der Lage, ungeordnete und geordnete, fluide Phasen auszubilden. Unter geeigneten thermodynamischen Bedingungen findet der Übergang von einer isotropen in eine geordnete, polare Phase im Sinne eines Phasenübergangs zweiter Ordnung statt. Mit Hilfe eines einfachen Skalenansatzes wurden die Lage des isotrop-polaren Phasenübergangs und die kritischen Exponenten des Modellfluids durch eine Kumulantenanalyse bestimmt. Um einen genaueren Überblick über das Phasenverhalten des Modellfluids zu bekommen, haben wir eine Version der klassischen Dichtefunktionaltheorie entwickelt. In dieser Theorie werden Paarkorrelationen im Sinne des führenden Terms einer Dichteentwicklung der entsprechenden Korrelationsfunktion berücksichtigt. Wir konnten zeigen, dass das Phasengleichgewicht durch drei generische, topologisch unterschiedliche Phasendiagramme beschrieben werden kann je nach der Stärke der „Spin-Spin“-Kopplungskonstanten. Für die strukturell reichhaltigste Topologie sind Ergebnisse entsprechender Monte Carlo Simulationen in nahezu quantitativer Übereinstimmung mit den Resultaten der Dichtefunktionaltheorie. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt haben wir damit begonnen, unser Modellfluid in Schlitzporen einer nanoskopischen Porenweite zu untersuchen. Dabei zeigte sich überraschenderweise zunächst, dass unter Phasenkoexistenzbedingungen Details des Fluid-Wand- Potentials irrelevant sind, solange die Wechselwirkung der Moleküle mit den Wänden der Schlitzpore nicht explizit orientierungsabhängig ist. Im Falle einer solchen Orientierungsabhängigkeit haben wir homogene (d.h. gleichartige Verankerung der Moleküle an den Wänden) und hybride Verankerungsszenarien (d.h. ungleichartige Verankerung) untersucht. Anhand des lokalen Polarisationsvektors konnten wir zeigen, dass bei nur geringfügiger lokaler Änderung der Gesamtpolarisation die Komponenten des Polarisationsvektors stark von der Position zwischen den Porenwänden abhängen können, was im Sinne einer komplex verlaufenden Umorientierung der Moleküle hindeutet, wenn man sich von einer zur anderen hybrid verankernden Wand bewegt. Diese Arbeiten werden derzeit für wandinduzierte, chirale Strukturen des Modellfluids fortgeführt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Finite-size scaling analysis of isotropic–polar phase transitions in an amphiphilic fluid, J. Phys.: Condens. Matter 24, 035103 (2011)
Michael Melle, Stefano Giura, Sergej Schlotthauer, Martin Schoen
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Addendum to ‚Finite-size scaling analysis of isotropic–polar phase transitions in an amphiphilic fluid’, J. Phys.: Condens. Matter 24, 209401 (2012)
Michael Melle, Stefano Giura, Sergej Schlotthauer, Martin Schoen
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Isotropic-polar phase transitions in an amphiphilic fluid: Density functional theory versus computer simulations, Phys. Rev. E 87, 012313 (2013)
Stefano Giura, Bence G. Márkus, Sabine H. L. Klapp, Martin Schoen
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Density-functional theory and Monte Carlo simulations of the phase behavior of a simple model liquid crystal, Phys. Rev. E 90, 022507 (2014)
Stefano Giura, Martin Schoen
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Phase behavior of an amphiphilic fluid, Phys. Rev. E 89, 012310 (2014)
Martin Schoen, Stefano Giura, Sabine H. L. Klapp
