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Non-equilibrium dynamics of confined colloidal suspensions in shear-flow / Nichtgleichgewichts Dynamik von schergetriebenen Kolloiden in räumlicher Begrenzung

Authors
  • Gerloff, Sascha
Publication Date
Jan 22, 2020
Source
DepositOnce
Keywords
Language
English
License
Green
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Abstract

Shear-driven colloidal suspensions in strong spatial confinement display complex non-equilibrium many-body dynamics. These stem from the intricate interplay between the confinement-induced structures and shear-induced dynamics, yielding phenomena such as shear-thinning, thickening, and banding, as well as shear-induced melting, crystallization, buckling, and laning. The resulting non-linear response is related to applications such as thin-film lubrication, colloidal nanomachines, and dry friction. In this thesis, we study the response of two types of shear-driven colloidal suspensions in strong spatial confinement: The first type consists of colloids confined to a narrow slitpore. Following previous studies, we consider systems that form crystalline layers with quadratic in-plane order in equilibrium. We perform Brownian dynamics simulations to investigate the resulting many-body non-equilibrium dynamics on the particle level. In particular, we focus on a two-layer system, which displays a depinning transition that is closely related to that of driven monolayers, i.e. a single layer of colloids on a substrate potential. Developing a mapping strategy, we demonstrate that the critical shear rate of this transition can be estimated from the equilibrium configuration. Moreover, this mapping to a simple model relates the depinning transition to important system parameters such as the slitpore width and the particle interaction strengths. We further find that creating a mismatch between the colloidal layers yields local particle transport in density excitations. This local transport is similar to that observed for driven monolayers and in good agreement with the predictions of the Frenkel-Kontorova model. We then turn to examine the concepts of stochastic thermodynamics, where we focus again on the flow-driven many-body dynamics of the two-layer system, which serves as a testing bed. To this end, we compute the distributions of the steady state work- and heat, which we compare to appropriate well-studied single-particle systems. Each steady state is clearly reflected in all thermodynamic quantities with respect to their mean as well as their distribution. We further find that the many-body character of the fluctuations is most pronounced for steady states that display incoherent particle dynamics. Importantly, this is reflected in a previously unobserved bistability of a running steady state with respect to the phase synchronization. / Diese Dissertation befasst sich mit gescherten kolloidalen Suspensionen in einer Schlitzporengeometrie. Solche Systeme zeigen Nichtgleichgewichtsverhalten, wie zum Beispiel scherverdünnnendes und -verdickendes Verhalten, sowie Schmelzen und Gefrieren unter Scherung. Diese Phenomäne sind relevant für viele Anwendungen, wie die Schmierung mit dünne Schichten, das Treiben kolloidale Maschinen und die Reibung zwischen zwei kristallinen Oberflächen. Anhand von Computer-Simulationen untersuchen wir das durch die Scherung induzierte Verhalten zweier Klassen von Systemen. Die erste Klasse umfasst kolloidale Suspensionen, welche in einer flachen Schlitzpore gefangen und durch eine lineare Scherströmung getrieben sind. Die Nichtgleichgewichtsdynamik dieser Systeme berechnen wir mithilfe von 'Brownian dynamics' Simulationen. Die Breite der Schlitzpore ist so gewählt, dass die Kolloide flache kristalline Lagen mit quadratischer Ordnung bilden. Derartige Systeme, mit zwei kristallinen Lagen, zeigen einen 'depinning' Übergang, der dem von getriebenen Monolagen ähnelt. Diese Ähnlichkeit motiviert uns, die Schwerpunkt\-dynamik, der beiden Lagen zueinander auf die Bewegung eines einzelnen Teilchens in einem effektiven Potential abzubilden. Dies ermöglicht uns insbesondere die kritische Scherrate für den depinning Übergang anhand der Gleichgewichtsstruktur des Systems zu bestimmen. Des Weiteren können wir zeigen, dass ein System, welches aus Lagen mit nicht übereinstimmenden Gitterkonstanten besteht, Defekte bildet, in denen die Kolloide sich gerichtet bewegen können. Selbiges wird auch für getriebene Monolagen beobachtet und von dem Frenkel-Kontorova Model vorausgesagt. Das Zwei-Lagen-System dient uns zugleich der Untersuchung der Konzepte der stochastischen Thermodynamik für Vielteilchen-Systemen. Dies ist insbesondere für die Anwendung von kolloidalen Maschinen von Interesse. Wir berechnen dazu die Verteilung der Arbeit, die in den Nichtgleichgewichtszuständen verrichtet wird, als auch die Verteilung der Wärme, die das System an die Lösungsflüssigkeit abgibt. Im Vergleich zu Einteilchen-Systemen finden wir einen deutlichen Vielteilchen-Charakter der Nichtgleichgewichtsfluktuation in Zuständen mit inkohärenter Dynamik. Insbesondere finden wir eine neue Bistabilität der Bewegungszustände im Bezug auf die Phasen-Synchronität der Teilchenbewegungen. Weiterhin untersuchen wir ein Drei-Lagen-System. Für dieses System finden wir einen neuen Zustand, in dem die mittlere Lage instabil wird und sich in zwei Teile aufspaltet. In beiden Teilen der mittleren Lage bilden sich Ketten aus Kolloiden, welche sich in entgegengesetzte Richtung und mit der Geschwindigkeit der äußeren Lagen bewegen. Eine ähnliche Situation wird in Experimenten beobachtet und kann als ein Übergang von drei flachen zu zwei geknickten Lagen interpretiert werden. Darüber hinaus finden wir einen vergleichbaren Zustand in einem System aus vier Lagen. Die zweite Klasse von Systemen umfasst Kolloide, welche in einer zwei-dimensionalen Scheibe gefangen sind und durch optische, sowie magnetische Felder getrieben werden. Um Experimente von diesem System korrekt zu modellieren, verwenden wir 'Stokesian dynamics' Simulationen, welche die hydrodynamischen Wechselwirkung zwischen den Teilchen durch Mobilitätstensoren beschriebt. In einer Scherströmung zeigt dieses System sowohl scherverdünnendes- als auch lokal scherverdickendes Verhalten, welches wir durch das Berechnen des Stresstensor und der lokalen Viskosität identifizieren. Insgesamt ist das Nichtgleichgewichtsverhalten in guter Übereinstimmung mit dem was in Experimenten gemessen wird. / DFG, SFB 910, Kontrolle selbstorganisierender nichtlinearer Systeme: Theoretische Methoden und Anwendungskonzepte

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