Struktur und Dynamik von Flüssigkeiten in eingeschränkter Geometrie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Transport in räumlich stark eingeschränkten Flüssigkeiten ist von fundamentalem wissenschaftlichem Interesse und auch im Hinblick auf verschiedene Anwendungen relevant, was von der Mikrofluidik von Suspensionen kolloidaler Partikel und der Vergütung von Materialien auf der Mikroskala bis hin zur Reibung und zum Schmieren durch dünne Filme reicht. Beschränkungen, die viel größer als der Teilchendurchmesser sind, beeinflussen die Struktur und Dynamik praktisch nicht. Die Struktur und Dynamik ändert sich jedoch drastisch, wenn die Beschränkung auf Längenskalen erfolgt, die vergleichbar mit dem Teilchenabstand sind. Der prominenteste Effekt ist eine Schichtenbildung, die sich durch starke Modulationen im Dichteprofil zeigt. Das Dichteprofil hat Maxima in der Nähe der Wände, was einer Teilchenansammlung in der Nähe der Wände entspricht, und charakteristische Oszillationen in größerer Entfernung zu den Wänden, die durch die dichte Teilchenpackung entstehen. Weiterhin sind Zweipunktkorrelationsfunktionen, wie z. B. die Paarverteilungsfunktion, stark verändert aufgrund des Wechselspiels zwischen der kurzreichweitigen, lokalen Teilchenpackung, die ohne Wände isotrop ist, und den einschränkenden Wänden, die eine Anisotropie verursachen. Dieses Wechselspiel hat auch drastische Konsequenzen für die Dynamik und Transportkoeffizienten speziell in dichten Suspensionen nahe am dynamischen Einfrieren, dem sogenannten Glasübergang. Ziel des vorliegenden Projekts war eine Charakterisierung der strukturellen und dynamischen Eigenschaften kolloidaler Flüssigkeiten zwischen einschränkenden Wänden auf der Ebene einzelner Teilchen. Diese Fragestellung wurde sowohl mittels Theorie und Computersimulationen als auch mittels Laborexperimenten behandelt. Im Rahmen des vorliegenden (deutschen) Teils des Projekts wurden die Experimente durchgeführt, während die theoretischen Arbeiten und Computersimulationen in der Gruppe des Mitantragstellers in Österreich erfolgten. Suspensionen mit kolloidalen, harten Kugeln dienten als Modellsystem. Diese Suspensionen wurden durch zwei Wände eingeschränkt und mit Hilfe eines konfokalen Mikroskops beobachtet. Dies liefert Informationen auf der Ebene einzelner Teilchen, insbesondere die Teilchenpositionen und -bahnen. Basierend auf den Positionen und Bahnen konnten wir dann Informationen über die Abhängigkeit der Struktur und Dynamik von der Längenskala der Einschränkung erhalten. Die Struktur und Dynamik wurde durch das Dichteprofil, die Paarverteilungsfunktion, Strukturfunktionen, das mittlere Verschiebungsquadrat, intermediäre Streufunktionen und andere Parameter quantifiziert. Diese Parameter erlauben einen systematischen und quantitativen Vergleich mit den Ergebnissen der Theorie und den Computersimulationen. Dies resultierte in einer konsistenten, mikroskopischen Beschreibung der Struktur und Dynamik von kolloidalen Flüssigkeiten in einer eingeschränkten Geometrie auf der Ebene einzelner Teilchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Two-dimensional Brownian motion of anisotropic dimers. Physical Review E, 104(1).
Mayer, Daniel B.; Sarmiento-Gómez, Erick; Escobedo-Sánchez, Manuel A.; Segovia-Gutiérrez, Juan Pablo; Kurzthaler, Christina; Egelhaaf, Stefan U. & Franosch, Thomas
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Layering and packing in confined colloidal suspensions. Soft Matter, 18(25), 4699-4714.
Villada-Balbuena, Alejandro; Jung, Gerhard; Zuccolotto-Bernez, Angel B.; Franosch, Thomas & Egelhaaf, Stefan U.
