Phasenfeldkristall-Modell für Kolloide mit bevorzugten Bindungsstellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Projekt wurde eine Phasefeld-Kristall-Theorie entwickelt, die in zwei Dimensionen für Teilchen mit einer gegebenen Rotationssymmetrie gedacht ist, wobei entlang von ausgezeichneten Richtungen dieser Symmetrie sich die Teilchen anziehen oder abstoßen. Unser Ansatz beschreibt (ultra-)weiche Teilchen mit bevorzugten Bindungsstellen. Freie Minimierungen des Funktionals der Freien Energie zeigen ein reichhaltiges Phasenverhalten aus, wobei vielfältige komplexe Phasen zwischen einer nematischen oder cholesterischen Ordnung und einer triangularen oder isotropen Phase auftreten. Beispielweise beobachteten wir unterschiedliche Dreiecks-, Quadrat-, Rhomben- und Sechseck- Phasen. Zudem fanden wir einen stabilen dekagonalen Quasikristall. Daher ermöglicht unser Phasenfeld-Kristall-Ansatz die effektive Bestimmung der auftretenden Anordnungen in Systemen (ultra-)weicher Teilchen mit bevorzugten Bindungsrichtungen. Zusätzlich ließen wir Simulationen solcher Teilchen laufen und untersuchten den Wachstum zweidimensionaler Quasikristalle in diesen Systemen. Wir fanden heraus, dass zur Stabilisierung von achtfachen oder zehnfachen Quaskristallen kleine Bindungsstellen notwendig sind, so dass Teilchen nur sehr nahe entlang der bevorzugten Bindungsrichtung wechselwirken. Dies kann eine Erklärung dafür sein, dass in Experimenten und Simulationen mit Systemen aus dem Bereich der weichen Materie normalerweise zwölffache Quasikristalle beobachtet werden, wohingegen in metallischen Systemen, bei denen Bindungswinkel von größerer Bedeutung sind, häufiger von zehnfachen Symmetrien berichtet wird. Beim Quasikristallwachstum ergaben sich die besten Strukturen bei hohe Temperaturen, die nur knapp unterhalb der Schmelztemperatur liegen. Der Vergleich mit einem System aus Teilchen mit isotropen Wechselwirkungen ergibt, dass sich mit Teilchen mit bevorzugten Bindungsrichtungen insbesondere bei mittleren Temperaturen Strukturen mit weniger Defekten erhalten lassen. Interessanterweise zeigt der Vergleich der Phasenfeld-Kristall-Ergebnisse mit den Simulationsergebnissen, dass es einige wesentliche Unterschiede gibt, die damit zusammenhängen, dass ein Phasenfeld-Kristall-Modell (ultra-)weiche Teilchen beschreibt, welche erheblich mit Nachbarteilchen überlappen können, wohingegen wir in den Simulationen Teilchen mit einem harten Kern betrachteten. Daraufhin haben wir uns entschieden, basierend auf einem Fundamental-Measure-Ansatz eine Molekularfeld-Theorie für Teilchen mit bevorzugten Bindungsrichtungen und einem harten Kern zu entwickeln. Wir sind der Auffassung, dass die Unterschiede zwischen (ultra-)weichen Teilchen und Teilchen mit hartem Kern zu einem besseren Verständnis der Wachstums- und Stabilisierungsmechanismen von Quasikristallen beitragen, welche bei (ultra-)weichen Teilchen hauptsächlich mit inkommensurablen Längenskalen zusammenhängen, wohingegen bei Teilchen mit einem harten Kern lokale Anordnungen eine größere Rolle spielen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Growth of two-dimensional dodecagonal colloidal quasicrystals: Particles with isotropic pair interactions with two length scales vs. patchy colloids with preferred binding angles. The European Physical Journal E, 41(10).
Gemeinhardt, Anja; Martinsons, Miriam & Schmiedeberg, Michael
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Stabilizing quasicrystals composed of patchy colloids by narrowing the patch width. EPL (Europhysics Letters), 126(3), 38001.
Gemeinhardt, A.; Martinsons, M. & Schmiedeberg, M.
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Active phase field crystal systems with inertial delay and underdamped dynamics. The European Physical Journal E, 43(7).
Arold, Dominic & Schmiedeberg, Michael
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Phasonic Diffusion and Self-confinement of Decagonal Quasicrystals in Hyperspace. Journal of Physics: Conference Series, 1458(1), 012018.
Hielscher, Johannes; Martinsons, Miriam; Schmiedeberg, Michael & Kapfer, Sebastian C.
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Stability of particles in two-dimensional quasicrystals against phasonic perturbations. Journal of Physics: Conference Series, 1458(1), 012019.
Martinsons, M. & Schmiedeberg, M.
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Phase field crystal model for particles with n-fold rotational symmetry in two dimensions. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 30(7), 074003.
Weigel, Robert F. B. & Schmiedeberg, Michael
