Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4589
Main Title: Non-equilibrium dynamics and feedback control of strongly confined colloidal suspensions in a planar shear flow
Translated Title: Nichtgleichgewichtsdynamik und Feedbackkontrolle von gescherten kolloidalen Suspensionen in begrenzter Geometrie
Author(s): Vezirov, Tarlan Azad
Advisor(s): Klapp, Sabine
Referee(s): Klapp, Sabine
Zaks, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Im Rahmen der vorgelegten Arbeit untersuchen wir den Einfluss einer externen treibenden Kraft, der Scherung, auf das Verhalten geladener kolloidaler Teilchen in einer Schlitzpore. Die Präsenz der begrenzenden Wände führt zu einem Symmetriebruch, was wiederum eine Schichtenbildung parallel zu den Porenwänden zur Folge hat. Um das untersuchte System zu vereinfachen werden die Gegenionen, welche von der Oberfläche der Kolloide dissoziieren, als eine Art abschirmende Wolke behandelt. Diese ionisierte Hülle ermöglicht es, die explizite Coulombwechselwirkung zwischen den Kolloiden durch eine effektive Abschirmung des elektrostatischen Potentials zu ersetzen, welche durch sogenannte Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek-Theorie beschrieben wird. Bei der Beschreibung des Verhaltens von Kolloiden verwenden wir die Methode der überdämpften Brownischen Dynamik. Zunächst wird ein Zweischichtensystem betrachtet. Dabei werden scherinduzierte Übergänge zwischen der quadratischen, geschmolzenen und hexagonalen Ordnung innerhalb der Schichten beobachtet, sowie die Dynamik dieser Zustände untersucht. Hierbei präsentieren wir unter anderem ein semi-analytisches Model, welches zur Beschreibung des Diffusionsverhaltens im geschmolzenen Zustand verwendet werden kann. Im hexagonalen Zustand liegt unser Fokus auf den räumlich-zeitlichen Oszillationen der Teilchen, der sogennanten Zig-Zag-Bewegung. Um die für das Zweischichtensystem gemachten Beobachtungen zu verallgemeinern wird die Breite der Schlitzpore erhöht. Dies führt zu einer Erhöhung der Schichtanzahl von zwei auf drei. Bei den Untersuchungen des Dreischichtensystems können wir nicht nur die Ergebnisse des Zweischichtensystems bestätigen, sondern auch einen neuen Zustand erkennen. In diesem Zustand spaltet sich die mittlere Schicht in zwei, in Bahnen ("lanes") geordnete, Subschichten auf, was wiederum die Dynamik des Systems maßgeblich beeinflusst. Im dritten Abschnitt werden wir feststellen, dass die scherinduzierten Strukturübergänge ein nichtmonotones Verhalten des Scherstresses auslösen können. Dies wird genutzt, um die vormals statische Scherrate, durch die Einführung einer Feedback-Kontrolle zu dynamisieren und den stationären Zustand des Systems auszuwählen. Wir können auch zeigen, dass der Endzustand des Systems nicht nur von der Anfangskonfiguration der Kolloide und der anfänglichen Scherrate, sondern auch von dem Verhältnis zwischen der Zeitskala der Feedback-Kontrolle und der intrinsischen Zeitskala abhängt.
In this study, we investigate the behavior of a strongly confined colloidal suspension suspension under the influence of an external driving force, the shear. The colloids are assumed to be charged. The presence of the limiting walls leads to a symmetry breaking, which in turn induces a layer formation parallel to the walls. In order to simplify the system description the counterions which dissociate from the surface of colloids, are treated as a kind of shielding cloud. These ionized shell makes it possible to replace the explicit Coulomb interaction between the colloids through an effective level via Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek theory. In describing the behavior of colloids, we use the method of overdamped Brownian dynamics. First, we consider a two-layer system. We observe shear induced order transitions between the square, molten and hexagonal states as well as study their dynamical properties. Furthermore, we present a semi-analytical model which can be used to describe the diffusion behavior in the molten state. In hexagonal state, we focus on the spatio-temporal oscillations of the particles, the so-called zig-zag motion. In order to generalize the observations made for the bilayer system the width between the confining walls is increased. This leads to an increase of the layer number from two to three. Investigating the trilayer system, we can not only confirm the results observed in the bilayer system, but also recognize a new state. In this state, the middle layer splits into two laned sublayers. This separation in sublayers significantly affects the dynamics of the system. In the third section, we note that the shear-induced structural transitions lead to non-monotonic behavior of the shear stress. The introduction of a feedback control by which the formerly static shear rate is transformed into dynamical variable enables to select stationary state of the system. We can also show that the steady state of the system depends not only on the initial configuration and the initial shear rate, but also on the relation between the time scale of the feedback control and the intrinsic time scale.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-69637
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4886
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4589
Exam Date: 13-Jul-2015
Issue Date: 24-Aug-2015
Date Available: 24-Aug-2015
DDC Class: 532 Mechanik der Fluide; Mechanik der Flüssigkeiten
Subject(s): Begrenzte Geometrie
Kolloide
Nichtgleichgewicht
Scherung
Colloids
Confinement
Non-equilibrium
Shear
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/
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