Dynamik und Wechselwirkungen kolloidaler Teilchen auf freistehenden smektischen Filmen

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Stannarius
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 191437318

Freistehende smektische Filme sind einzigartige flüssige Strukturen mit Dicken zwischen wenigen Molekülschichten und einigen Mikrometern bei seitlichen Ausdehnungen bis zu mehreren Zentimetern. Sie stellen einfach zu präparierende Modelle zweidimensionaler (2D) Flüssigkeiten dar. Beim Übergang von drei zu zwei Dimensionen vereinfacht sich oftmals die Beschreibung der Dynamik, aber es treten auch qualitativ neue Phänomene auf. Unter Umständen kann die Dynamik in einer zweidimensionalen Flüssigkeit sehr kompliziert werden (siehe z. B. das Stokes-Paradoxon).Je nach Mesophase können die von uns untersuchten smektischen Filme in der Filmebene isotrop (smektisch A) oder anisotrop (smektisch C, C*) sein. Wir untersuchen die Bewegung von Partikeln in der quasi-2D-Geometrie solcher Filme und ihre Wechselwirkung mit dem umgebenden Direktorfeld.Im vorangegangenen Antragszeitraum wurde die Präparation fester und flüssiger Einschlüsse in smektischen Filmen entwickelt sowie die Bewegung fester Kügelchen mit Hilfe von Polarisationsmikroskopie experimentell untersucht. Dabei konnte unter anderem das Saffman-Delbrück-Modells für die Bewegung von scheibenförmigen Einschlüssen in 2D Flüssigkeiten verifiziert werden und der Übergang zwischen den Grenzfällen des Modells beobachtet werden. Eine Technik zum Beschuss smektischer Filme mit Mikrotröpfchen wurde entwickelt und der Aufprall dieser Tröpfchen, ihr Einbau in die Filme bzw. das Tunneln durch die Filme untersucht. Es wurden Koaleszenzprozesse kreisförmiger Inseln beobachtet und quantitativ analysiert. Die an 2D-isotropen SmA-Filmen gewonnenen Erkenntnisse wurden inzwischen publiziert. Wir werden uns in kommenden Förderabschnitt vor allem mit der Bewegung in anisotropen SmC-Filmen befassen, und anisometrische (formanisotrope) Partikel untersuchen. Damit kommen zwei neue und interessante Aspekte zu den bisherigen Untersuchungen hinzu, erstens die Berücksichtigung der verschiedenen Schwerviskositäten und der Rotationsviskosität in anisotropen 2D-Flüssigkeiten und die Reorientierungsdynamik von stäbchenförmigen Einschlüssen.Zu beiden Fragestellungen gibt es qualitative Voruntersuchungen, aber weder in der Gruppe des Antragstellers noch bei anderen Forschergruppen experimentelle Resultate. Wir planen sowohl quantitative Experimente als auch numerische (FEM) Simulationen. Damit können wir eine systematische Beschreibung hydrodynamischer Prozesse in quasi-2D anisotropen Fluiden in Angriff nehmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen