Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5070
Main Title: Non-equilibrium self-assembly processes of complex dipolar colloids
Translated Title: Strukturbildungsprozesse komplexer dipolarer Kolloide ausserhalb des thermodynamischen Gleichgewichts
Author(s): Kogler, Florian
Advisor(s): Klapp, Sabine H. L.
Referee(s): Dzubiella, Joachim
Hall, Carol K.
Klapp, Sabine H. L.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This work investigates the influence of induced dipolar interactions on the non-equilibrium structure formation in quasi-two dimensional colloidal systems. On the one hand, theoretical models for certain experimentally realized systems are developed and investigated by means of Brownian Dynamics Simulations. To estimate phase transitions, basic density functional theory methods are applied. On the other hand, also generic models are developed with the aim to unveil the underlying mechanisms of structure formation and particle aggregation. The experimental systems motivating this work correspond to two prototype non-equilibrium processes, which are lane formation and diffusion limited aggregation. In the case of lane formation it is Janus particles in AC electric fields which are considered. These particles form either chain-like aggregates or yield a self-propulsion mechanism, depending on the field frequency. The investigation of an explicitly dipolar model shows chain formation as well as lane formation in the self-propulsion regime. Additionally, a generic system is considered, which allows for the first time to make a connection between lane formation and spinodal decomposition. Furthermore, this is the first study on lane formation in systems with attractive particle interactions. The second part of this work investigates the field directed assembly of colloidal particles in the diffusion limited aggregation regime. Again, two model systems are developed and investigated. First, experimentally observed structures are analyzed and compared to results from extensive computer simulations. To this end, a new method for structure analysis is introduced and applied. Experiments were performed by Dr. B. Bharti at North Carolina State University and analyzed by myself. The theoretical considerations allow, in contrast to experiments, to investigate the dependency of the aggregation behavior on the particle density. Additionally, a second model system, aiming on the generic features of particle aggregation is investigated. Here, special attention is paid on the diffusion limited aggregation. The latter is an extensively studied non-equilibrium process, which is extended by new features, namely the influence of field induced dipolar interactions.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss induzierter dipolarer Wechselwirkungen auf die nichtgleichgewichts Strukturbildung in quasi zweidimensionalen kolloidalen Systemen. Einerseits werden konkrete experimentell realisierte Systeme theoretisch modelliert und mit Hilfe von Computersimulationen der Brownschen Dynamik untersucht. Zur Abschätzung von Phasenübergängen werden weiterhin Methoden der Dichtefunktionaltheorie angewandt. Andererseits werden generische Modelle entwickelt um grundlegende Mechanismen der Strukturbildung zu indentifizieren. Die zugrundeliegenden experimentellen Systeme entsprechen dabei zwei prototypischen nichgleichgewichts Prozessen: einmal der Bahnenbildung (lane formation) und einmal der diffusionsbeschränkten Aggregation (diffusion limited aggregation). Im Falle der Bahnenbildung werden Januspartikel in einem elektrischen Wechselfeld betrachtet, die, je nach Feldfrequenz, entweder kettenartige Strukturen oder einen Schwimmmechanismus ausbilden. Die theoretische Untersuchung einer explizit dipolaren Modellierung zeigt sowohl die Kettenbildung als auch neuartige Bahnenbildung im Schwimmerregime. Zusätzlich wird ein abstrakteres Referenzsystem behandelt, welches es erstmalig erlaubt eine Verbindung zwischen spinodialer Entmischung und Bahnenbildung herzustellen. Weiterhin wird hier zum ersten mal Bahnenbildung in Systemen mit attraktiven Teilchenwechselwirkungen untersucht. Der zweite Teil der Arbeit behandelt die feldgesteuerte Aggregation kolloidaler Teilchen im diffusionsbeschränkten Regime. Hier werden ebenfalls zwei Modellsysteme untersucht. Zunächst werden experimentell beobachtete Strukturen analysiert und mit Ergebnissen aufwendiger Computersimulationen verglichen. Zu diesem Zweck wird eine neue Methode der Strukturanalyse eingeführt und angewandt. Die Experimente wurden von Dr. Bhuvnesh Bharti an der North Carolina State University durchgeführt und von mir analysiert. Die theoretischen Betrachtungen erlauben hierbei, im Gegensatz zu den Experimenten, das Aggregationsverhalten in Abhängigkeit der Partikeldichte zu untersuchen. Ergänzend dazu wird ein zweites Modellsystem betrachtet, welches auf generische Eigenschaften der feldgesteuerten Aggregation ausgerichtet ist. Hier liegt besonderes Augenmerk auf dem Verhalten im diffusionsbeschränkten Aggregationsregime. Letzteres ist ein ausgiebig untersuchter nichtgleichgewichts Prozess, der hier um neue Facetten, also feldinduzierete dipolare Wechselwirkungen, ergänzt wird.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5395
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5070
Exam Date: 26-Feb-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 4-Apr-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik
Subject(s): non-equilibrium
Nicht-Gleichgewicht
self-assembly
dipolar
Kolloid
Dipolmoment
Mikroschwimmer
Strukturbildung
laning
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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