Superadiabatische Drehmomente und Kräfte in anisotropen kolloidalen Systemen

• Antragsteller: Professor Dr. Daniel de las Heras
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447925252

Dieses Projekt zielt darauf, die Rolle von superadiabatischen Effekten in der Dynamik von anisotropen kolloidalen Vielteilchensystemen aufzuklären. Kolloide sind nano- bis mikroskalige Teilchen, die in einer kontinuierlichen Phase, wie einer Flüssigkeit, suspendiert sind. Die Wechselwirkungen zwischen Kolloiden kann stark anisotrop sein, aufgrund der Teilchenform oder dem Hinzufügen von Bindungsstellen auf der Teilchenoberfläche. Aktuelle Durchbrüche in kolloidaler Synthese haben es ermöglicht, die Form und die Oberflächeneigenschaften von Kolloiden mit hoher Genauigkeit zu kontrollieren.Das Gleichgewichtsphasenverhalten von anisotropen Teilchen ist vom fundamentalem wie auch vom technologischem Standpunkt aus betrachtet interessant. Beispielsweise sind verschiedene flüssigkristalline Phasen, wie nematische, kolumnare, und smektische, im Volumen stabil. Der geometrische Einschluss von anisotropen Kolloiden erzeugt die Bildung von topologischen Defekten. Patchkolloide (Kolloide mit Bindugsstellen auf der Teilchenoberfläche) zeigen unerwartete Eigenschaften, wie die Bildung von leeren Flüssigkeiten und von Gleichgewichtsgelen.In Gegensatz zum Gleichgewicht sind die dynamischen Eigenschaften von anistropen Brownschen Vielteilchensystemen weitgehend unerforscht. Darüberhinaus basiert der am häufigsten verwendete theoretische Zugang zur Beschreibung solcher Systeme, dynamische Dichtefunktionaltheorie, auf einer adiabatischen Näherung. Die adiabatische Näherung nimmt an, dass die Korrelationen zwischen den Teilchen gut durch die Korrelationen in einem Gleichgewichtssystem beschrieben werden können. Diese Näherung hat wesentliche Auswirkungen auf die Vorhersage der Dynamik. Im vorliegenden Projekt soll die adiabatische Näherung überwunden werden, durch Entwicklung der ersten Powerfunktionaltheorie für anisotrope Systeme.Powerfunktionaltheorie (PFT) basiert auf einem exakten Variationszugang zu Nichtgleichgewichtssituationen und überwindet die adiabatische Näherung durch Einbezug von superadiabatischen Effekten via eines Funktionales der Dichte- und des Geschwindigkeitsfeldes. Obwohl es sich um eine jüngere Theorie handelt, wurde bereits gezeigt, dass PFT die Dynamik von isotropen kolloidalen Systemen passend beschreibt. Beispiele dafür sind Schermigration, Spurbildung und Phasenseparation von aktiven Teilchen. Im Rahmen dieses Antrages sollen Brownsche Dynamiksimulationen verwendet werden, um superadiabatische Drehmomente und superadiabatische Kräfte in einfachen Systemen zu messen. Daraufhin wird eine PFT formuliert werden, die die beobachteten superadiabatischen Drehmomente und Kräfte erklärt. Schließlich soll die Theorie angewendet werden auf das Studium von superadiabatischen Effekten im Volumen und in eingeschlossenen lyoptropen Flüssigkristallen sowie in Patchkolloiden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Matthias Schmidt