Kollektive Dynamik und Tracer-Dynamik im Single-file Transport durch periodische Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Philipp Maass
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432123484

Single-File-Transport bezeichnet die Bewegung von Teilchen in einemVielteilchensystem, in dem sich die Teilchen aufgrund ihrerWechselwirkung untereinander und aufgrund räumlicher Begrenzungengegenseitig nicht überholen können. In diesem Projekt wird diestochastische Brownsche Bewegung diffundierender Teilchen mitSingle-File-Charakter betrachtet. Diese Art der Bewegung tritt überallin der Natur und Technik auf, wenn Teilchen gezwungen werden, durchenge Poren zu diffundieren, deren Durchmesser nur wenig größer als dieTeilchen sind. Wichtige Beispiele sind die Diffusion in Poren vonkristallinen Alumosilikaten (Zeoliten), Membrankanälen, Nanoröhren,Kanälen der Mikro- und Nanofluidik sowie die Bewegung vonKolloidteilchen in Experimenten mit hochentwickelten optischen undmagnetischen Manipulationsmethoden. Obwohl der Teilchentranport indiesen und anderen Beispielen in der Regel in periodischen Strukturenerfolgt, wurden theoretische Untersuchungen in der Vergangenheithauptsächlich für räumlich homogene Systeme durchgeführt mitFokussierung auf die anomale Subdiffusion von markiertenEinzelteilchen (Tracern) bzw. auf Grundlage von stark vereinfachtenGittermodellen im Hinblick auf kollektive Transporteigenschaftenvieler Teilchen. Ein grundlegendes theoretisches Verständnis derkollektiven Dynamik und der Tracerdynamik bei der Brownschen Bewegungin periodischen Strukturen mit Single-File-Charakter ist derzeit nichtgegeben. In diesem bilateralen Forschungsprojekt soll dieseVerständnislücke geschlossen werden durch Entwicklung paradigmatischerModelle and Methoden für deren Analyse, welche sowohl analytischeHerangehensweisen als auch Simulationsverfahren einbeziehen. Unserespezifischen Zielsetzungen umfassen die Entwicklung einervollständigen Theorie für Teilchen mit Eigenschaften harter Kugeln,die als Grundlage dient für Studien andersartiger kurzreichweitigerTeilchenwechselwirkungen und für Systeme mit verschiedenenTeilchentypen. Ein besonderer Fokus wird Untersuchungen gewidmet,welche die Möglichkeit ausloten, Phasen unterschiedlichen kollektivenTransports dadurch zu identifizieren, dass die lokale Kinetik vonPlatzwechseln eines Tracers in der periodischen Struktur beobachtetwird. Ergebnisse für idealisierte eindimensionale Bewegungen werdenbezüglich ihre Gültigkeit für entsprechende Bewegungen invollständig drei-dimensionalen Porengeometrien überprüft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Partnerorganisation: Czech Science Foundation
• Kooperationspartner: Artem Ryabov, Ph.D.