Hybrid Particle-Field Simulations for Mixed Colloid/Nanoparticle-Polymer Systems
Final Report Abstract
Selbstkonsistente Feldtheorie (SCFT) hat sich als numerisch auswertbare Theorie zum Studium inhomogener Polymersysteme bewährt. Insbesondere lassen sich mit ihr Phasenübergänge zwischen verschiedenen Morphologien (wie „lamellar“, „gyroid“ u.a.) untersuchen, die sich auf mesoskopischen Längenskalen selbstordnend in solchen Systemen einstellen. SCFT ist eine sog. MeanFieldTheorie, die thermische Fluktuationen vernachlässigt. Die Physik hängt jedoch in nicht sehr dichten System, in der Nähe eines kritischen Punktes, oder in elektrisch geladenen Systemen oft maßgeblich von Fluktuationen ab. Auf der Complex Langevin (CL)Methode aufbauende Feldtheoretische Simulationen (FTS) werden seit einigen Jahren als ein aussichtsreicher Kandidat zur simulationstechnischen Beschreibung fluktuationsgetriebener Effekte in Polymersystemen untersucht. Im Berichtszeitraum wurden methodische Entwicklungen auf analytischer und numerischer Seite betrieben, die das Spektrum feldtheoretischer Methoden auf allgemeinere Polymerarchitekturen und hybride Polymer/Teilchensysteme erweitern sollen. In einem ersten Projekt wurde die „Hybrid Particle/Field“Methode von Sides methodisch auf nichtsphärische Teilchenformen erweitert. Hierdurch lassen sich prinzipiell beliebig geformte Teilchen in einem SCFTPolymerhintergrund simulieren. Für die praktische Anwendung der Methode sind weitergehende Tests erforderlich. In einem zweiten Projekt wurde die in der Literatur unter dem Namen „Exchange Model“ bekannte Implementierung von SCFT/FTS auf Systeme erweitert, die mehr als zwei Monomerarten enthalten, womit es zum ersten Mal möglich ist, die CLMethode auf solche Systeme anzuwenden. Tests des neuen „MultiSpecies Exchange“ (MSE)Modells mit Polyelektrolyten in explizitem Lösungsmittel offenbarten zwar numerische Ineffizienzen der Methode. In weniger asymmetrischen Systemen erwies sie sich aber als praktikabel.
