Gleichgewichtseigenschaften polarer Modellfluide in Anwesenheit äußerer Felder
Final Report Abstract
Im Rahmen der Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe wurden strukturelle Eigenschaften und das Phasenverhalten von Fluiden mit starken dipolaren Wechselwirkungen, wie etwa Ferrokolloiden, unter Einfluss verschiedener, extern kontrollierbarer Störungen untersucht. Das Gesamtprojekt war in drei Teilprojekte aufgeteilt, die die Rolle homogener magnetischer bzw. elektrischer Felder (Teilprojekt A), eingefrorener Unordnung (Teilprojekt B), und räumlicher Einschränkung in Filmgeometrien (Teilprojekt C) behandelten. Die Untersuchungen wurden mit Hilfe von Dichtefunktionalmethoden, Integralgleichungen und Monte-Carlo (MC) Computersimulationen durchgeführt. Teilprojekt A befasste sich mit dem Einfluss homogener magnetischer Felder auf das Phasen- und Aggregationsverhalten binärer Ferrofluide. Die Untersuchungen wurden mit Hilfe von Integralgleichungen zur Berechnung von Korrelationsfunktionen und mit Methoden der Dichtefunktionaltheorie durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die dipolaren Mischungen bereits im feldfreien Fall ein komplexes Phasenverhalten inklusive "dipolgetriebener" Entmischungs- und Orientierungsphasenübergänge aufweisen können. Die Lage dieser Übergänge im Phasendiagramm kann durch äußere Felder gesteuert werden. Gegenstand von Teilprojekt B war das Phasenverhalten polarer molekularer Fluide in ungeordneten porösen Materialien wie etwa Silika-Aerogelen. Zur numerischen Untersuchung wurden Integralgleichungen kombiniert mit der Replika-Methode verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die ungeordneten Matrizen einen starken Einfluss nicht nur auf die Kondensation, sondern auch auf die dielektrischen Eigenschaften des polaren Fluides haben. In Teilprojekt C schließlich wurden Ordnungsstrukturen von fluiden Dipolfilmen, die zwischen zwei Wänden eingeschlossen sind, untersucht. Die zentrale Frage hierbei war die Existenz spontaner ferromagnetischer Ordnung, wie man sie in dreidimensionalen Dipolfluiden beobachtet. Mit Hilfe von MC Simulationen konnte gezeigt werden, dass die Anwesenheit von Wänden in mesoskopisch dicken Filmen den Phasenübergang nicht unterdrückt, sondern eher noch fördert, und zwar unabhängig von den gewählten Randbedingungen. Andererseit muss der Film eine Mindestdicke von etwa drei Monolagen haben, um eine solche spontane Symmetriebrechung zu zeigen.
Publications
- Spontaneous orientational order in confined thin dipolar liquid films. J. Chem. Phys. 117, 8050-8062 (2002)
S. H. L. Klapp, M. Schoen
- Phase behavior of Stockmayer fluids confined to a non-polar porous material. J. Chem. Phys. 118, 3628-3638 (2003)
C. Spöler, S. H. L. Klapp
- Demixing in simple dipolar mixtures: Integral equation versus density functional results. Phys. Rev. E 70, 031201/1-11 (2004)
G. M. Range, S. H. L. Klapp
- Density functional study of the phase behavior of asymmetric dipolar mixtures. Phys. Rev. E 69, 041201/1-11 (2004)
G. M. Range, S. H. L. Klapp
- Ferroelectric order in a dipolar fluid confined to a slit-pore. J. Mol. Liq. 109, 55-61 (2004)
S. H. L. Klapp, M. Schoen
- Influence of size bidispersity on the phase behavior of dipolar fluid mixtures. Phys. Rev. E 70, 061407/1-9 (2004)
G. M. Range, S. H. L. Klapp
- Integral equation study of a Stockmayer fluid adsorbed in polar disordered matrices. J. Chem. Phys. 120, 6734-6745 (2004)
C. Spöler, S. H. L. Klapp
- Vapor-liquid transition of dipolar fluids in disordered matrices: Performance of angle-averaged potentials. J. Chem. Phys. 121, 9623- 9629 (2004)
C. Spöler, S. H. L. Klapp
- Dipolar liquids under external perturbations. J. Phys.: Condens. Matter 17, R525-R550 (2005)
S. H. L. Klapp
- Phase behavior of ferrocolloids in external fields. J. Chem. Phys. 122, 224902/1-6 (2005)
G. M, Range, S. H. L. Klapp
- Computer simulations of strongly interacting dipolar systems: Performance of a truncated Ewald sum. Mol. Phys. 114, 2841-2854 (2006)
A. Moreno-Razo, Enrique Diaz-Herrera, S. H. L. Klapp
- Monte-Carlo simulations of strongly interacting dipolar fluids between two conducting walls. Mol. Sim. 32, 609-621 (2006)
S. H. L. Klapp
- Numerical Investigations of Nano-Systems in Reduced Geometry. In: High Performance Computing in Science and Engineering 05, edited by E. Nagel, W. Jaeger, M. Resch, Springer, Berlin (2006) p. 85-98
W. Quester, S. H. L. Klapp, M. Dreher, P. Henseler, Chr. Kirchner, K. Franzrahe, P. Nielaba
- Pair formation and global ordering of strongly interacting dipolar fluid mixtures. J. Chem. Phys. 124, 114707/1-10 (2006)
G. M. Range, S. H. L. Klapp
- Nanoconfined fluids: Soft Matter between two and three dimensions. p. 1-509, in: Reviews of Computational Chemistry, vol. 24, Hrsg. K. B. Lipkowitz und T. Cundari (John Wiley & Sons, New York, 2007)
M. Schoen and S. H. L. Klapp
