Konvektion in kolloidalen Suspensionen magnetischer Partikel

• Applicant: Professor Dr. Manfred Lücke (†)
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2005 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5449908

• Final Report Year: 2008

Final Report Abstract

Die Konvektion in von unten beheizten horizontalen Schichten von kolloidalen Fluiden - insbesondere von Ferrofluiden, d.h. Suspensionen von etwa 10 nm großen magnetischen Partikeln in verschiedenen Trägerflüssigkeiten - wurde theoretisch/numerisch untersucht. Diese Suspensionen zeigen typischerweise sehr geringe Diffusion der kolloidalen Partikel und eine große Soretkopplung ihrer Konzentrationsgradienten an Temperaturgradienten. Zuerst wurden bei Abwesenheit äußerer Magnetfelder Struktur, Dynamik, Bifurkation-, Stabilitäts- und Selektionsverhalten von stationären Rollen und Quadraten sowie von sog. Cross-rolls für positive Separationsverhältnisse ? und von wandernden Konvektionswellen für ? < 0 mit Galerkinverfahren bestimmt. Ferner wurde der Einfluß von vertikal ausgerichteten homogenen Magnetfeldern - stationär wie auch zeitlich periodisch moduliert - auf die Konvektionseigenschaften bestimmt. Die stark nichtlinearen Konvektionseigenschaften im Fall advektiv gut durchmischter Fluide wurden mit Hilfe von Finiten-Differenzen-Verfahren in quantitativem Detail bestimmt. Die Besonderheiten des konvektiven Responses bei niederfrequenter parametrischer Modulation des Feldes, wenn die zeitlich oszillierende magnetische Rayleighzahl die Bifurkationsschwelle für stationäre Konvektion periodisch überstreicht, wurde untersucht: Während der für kleine Frequenzen langen subkritischen Phasen fällt die Konvektionsamplitude auf sehr kleine Werte ab und ist dann anfälhg für Störungen, die in Experimenten allgegenwärtig sind. Im superkritischen Teil der Modulation folgt dann ein Wachstum, das die subkritische Vorgeschichte mit dem Einfluß der Störungen noch reflektiert. Für größere Frequenzen ist der Response einfacher, weil sich die Modulationseffekte zum großen Teil herausmitteln.

Publications

• Brownian relaxation of magnetic colloids, J. Magn. Magn. Mater. 289, 74 (2005)
  B. Fischer, B. Huke, M. Lücke, R. Hempelmann
  
• Roll, square, and cross-roll convection in ferro fluids, J. Magn. Magn. Mater. 289, 264 (2005)
  B. Huke, M. Lücke
  
• Convection patterns in colloidal solutions, Phys. Rev. E 75, 036203 (2007)
  B. Huke, H. Pleiner, M. Lücke
  
• Stehende Konvektionswellen in binären Mischungen und in Ferrofluiden, Dissertation, Universität des Saarlandes (2008)
  P. Matura