Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5900
Main Title: Self-assembly and self-organization of magnetic Janus-like colloids in three dimensions
Subtitle: a computer simulation study
Translated Title: Selbstassemblierung und Selbstorganisation magnetischer, kolloidaler Janusteilchen in drei Dimensionen
Translated Subtitle: eine Computer-Simulations-Untersuchung
Author(s): Yener, Arzu Bahar
Advisor(s): Klapp, Sabine H. L.
Referee(s): Klapp, Sabine H.L.
Ilg, Patrick
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In this thesis, we investigate the recent model of laterally shifted dipoles, i.e. spherical particles carrying a magnetic dipole moment in a non-central position, with a view to selfassembly as well as to the collective dynamics and the related pattern formation in threedimensional bulk systems in equilibrium and in the presence of a rotating magnetic field. The shift, i.e the distance of the dipole moment from the particle centre, is a control parameter in the investigation of the equilibrium systems and its crucial effect on the equations of motion, which are required for the Molecular or Langevin dynamics simulations that we use as method of investigation, is demonstrated. Preparatory examinations of ground states of few particle systems for several values of the shift precede the examination of the bulk systems studied at finite temperature and serve to understand the principles of self-assembly of this model. In the first main part of this work, we present the self-assembly structures formed by the particles depending on the amount of the shift, for several temperatures and particle densities corresponding to the liquid state. We find that the structural transition from chainlike to close packed aggregates upon the increase of the shift is a fundamental behaviour observed for all state points considered. By applying a rotating magnetic field, the system is driven out of equilibrium and in the case of conventional dipolar systems, for appropriate field strengths and frequencies, the dipolar rotations of the particles synchronize with the external field which is why the particles experience an averaged dipolar potential being attractive in the rotating plane and repulsive in the direction perpendicular to it. As a consequence, the particles organize in layered patterns which span parallel to the rotating plane. We show that sufficiently shifting the dipole moment crucially affects the formation of layers by enabling double layer formation instead of conventional, i.e. single layers. Deriving the averaged dipolar potential for shifted dipoles, we find that aside the condition of synchronization, double layer formation is based on the condition of locking of the particles’ orientations such that the vectors pointing from the centre to the location of the dipole moment point either parallel or antiparallel to the direction perpendicular to the rotating plane. The formation of double layers is also observed in experiments and here, we demonstrate that not only the field strength but also the field frequency is decisive for their formation. Calculating the appropriate state diagram, we show that layer formation passes from single layers to double layers if the frequency is increased. This is accompanied by transitions of the collective translational as well as orientational behaviour of the particles.
In dieser Arbeit untersuchen wir das Model dipolarer Kugeln mit seitlich verschobenem Dipolmoment, d.h. das Dipolmoment ist innerhalb der Kugel dezentral lokalisiert, im Hinblick auf Strukturbildung und kollektive Dynamik im dreidimensionalem Raum, sowohl im Gleichgewicht als auch in einem rotierenden Magnetfeld. Die Untersuchungen erfolgen bei jenen thermodynamischen Zuständen, für die das betrachtete Modell kolloidale Flüssigkeiten darstellt. Die Verschiebung, d.h. der Abstand des Dipolmoments zum Teilchenzentrum, ist ein Kontrollparameter in der Untersuchung der Selbstassemblierung in Gleichgewichtssytemen bei endlichen Temperaturen und hat einen entscheidenden Einfluss auf die Bewegungsgleichungen. Diese werden hergeleitet, da sie für die Untersuchungsmethoden, nämlich Molekulardynamik- bzw. Langevindynamiksimulationen, die in dieser Arbeit zum Einsatz kommen, erforderlich sind. Um den grundsätzlichen Einfluss der Verschiebung auf die Selbstassemblierung zu verstehen, beginnen wir unsere Untersuchungen mit der Betrachtung von Grundzustandsstrukturen, die von wenigen harten Kulgeln mit verschobenen Dipolen gebildet werden, wobei die Verschiebung jeweils variiert wird. Im ersten Hauptteil dieser Arbeit werden dann Untersuchungen zum Vielteilchensystem bei veränderlichen Temperaturen und Teilchendichten angestellt. Es ergeben sich spezifische Strukturen für unterschiedliche Verschiebungen. Diese Strukturen reichen von kettenartig über ringförmig bis hin zu dichtgepackt, wenn das Dipolmoment sukzessive aus dem Teilchenzentrum entfernt wird, wobei der genannte stukturelle Übergang ein fundamentales Verhalten dieses Modellsystems ist, welches wir für alle betrachteten thermodynamischen Zustandspunkte beobachten. Durch das Anlegen eines äußeren rotierenden Magnetfeldes wird das System aus dem Gleichgewicht getrieben. Es ist bekannt, dass sich im Falle von zentrierten Dipolen einfache Teilchenschichten parallel zur Rotationsebene des angelegten Feldes bilden. Dieses Phänomen ist Folge eines zeitgemittelten Dipolpotentials zwischen zwei Teilchen, welches wirkt, falls die Teilchen durch das äußere Feld synchronisiert werden. Die Synchronisation erfordert sowohl ein ausreichend starkes Feld als auch passende Rotationsfrequenzen, für die die Teilchenrotationen trotz der Reibung mit dem Lösungmittel den Feldrotationen folgen können. Ausgehend von dem zentrierten System, welches als Referenzsystem dient, untersuchen wir das System für zwei spezifische Verschiebungen und finden einen strukturellen Übergang der ausgebildeten Teilchenschichten, der mit der Wahl der Feldfrequenz zusammenhängt. Und zwar beobachten wir die zunehmende Ausbildung von Doppelschichten für zunehmende Frequenzen, falls auch die Verschiebung ausreichend groß ist. Die Doppelschichtstruktur ist in Übereinstimmung mit den Ergebnissen des zeitgemittelten Dipolpotentials, das wir für die verschobenen Dipole herleiten. Die Schichtbildung für verschobene Dipole wird in Zustandsdiagrammen dargestellt, welche außerdem mit dem des Referenzsystems verglichen wird. Weiterhin zeigen wir, dass der Übergang von einfachen zu Doppelschichten einhergeht mit qualitativer Änderung des kollektiven Translations- als auch Rotationsverhaltens der Teilchen.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6344
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5900
Exam Date: 1-Nov-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 15-May-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
Subject(s): dipolar fluids
magnetic colloids
molecular dynamics simulation
self assembly
nonequilibrium pattern formation
dipolare Fluide
magnetische Kolloide
Molekulardynamiksimulationen
Selbstassemblierung
Strukturbildung im Nichtgleichgewicht
Sponsor/Funder: DFG, GRK 1558, Nonequilibrium collective dynamics in condensed matter and biological systems
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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