Titelaufnahme

Titel
Vibrations and diffusion in colloidal cluster crystals / von Lukas Strauss
VerfasserStrauss, Lukas
Begutachter / BegutachterinKahl, Gerhard ; Coslovich, Daniele
Erschienen2009
UmfangVI, 97 S. : Ill., zahlr. graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2009
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)weiche Materie / Clustering / Cluster / Cluster-Kristalle / Dendrimere / Molekulardynamik / Schwingungen / Diffusion / Phononenspektrum
Schlagwörter (EN)soft matter / clustering / clusters / cluster crystals / dendrimers / molecular dynamics / vibrations / diffusion / phonon spectrum
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-36845 Persistent Identifier (URN)
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Vibrations and diffusion in colloidal cluster crystals [1.82 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In der Physik der weichen Materie haben in den letzten Jahren die noch wenig bekannten "Cluster-Phasen" großes Interesse hervorgerufen. Diese Phasen wurden etwa in Systemen entdeckt, in denen Teilchen durch beschränkte, rein abstoßende Potentiale miteinander wechselwirken, die wiederum auf effektiven Wechselwirkungen zwischen weichen Kolloiden (z.B. Dendrimeren) beruhen. Bei entsprechend hohen Dichten bilden sich in jenen Systemen Cluster von überlappenden Teilchen, die sich an den regelmäßgen Punkten eines Kristallgitters anordnen. Diese Cluster-Kristalle haben erstaunliche Eigenschaften wie sie bislang in der harten Materie noch nicht angetroffen wurden. So reagiert das System auf Kompression durch Vergrößerung der Cluster, während die Gitterabstände im Kristall unverändert bleiben. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die dynamischen Eigenschaften von Cluster-Kristallen mithilfe von Molekulardynamik-Simulationen. Um das Spektrum der Schwingungen in derartigen Systemen zu charakterisieren, wenden wir eigens entwickelte Techniken zur Datenanalyse an. Basierend auf unseren Ergebnissen können wir zwei verschiedene Arten von Teilchenvibrationen identifizieren, die der Bewegung einzelner Teilchen und kollektiver Bewegung entsprechen.

In den betrachteten Cluster-Kristallen findet Diffusion dadurch statt, dass Teilchen zwischen den einzelnen Clustern springen. Wir untersuchen dieses Verhalten im Detail und zeigen, dass ein wesentlicher Anteil der Teilchensprünge hoch korreliert ist und weit über die Distanz zu nächsten Nachbarn hinausgeht.

Unsere Resultate gewähren somit tieferen Einblick in die mikroskopischen Diffusionsmechanismen, die in Cluster-Kristallen vor sich gehen.

Zusammenfassung (Englisch)

In soft matter physics novel kinds of "cluster phases" have attracted considerable attention recently. These phases are observed, for instance, in systems in which particles interact via bounded, purely repulsive potentials that originate from the effective interactions between soft colloids, such as dendrimers. At sufficiently high densities these particles overlap, thereby forming clusters which occupy the regular sites of a cubic lattice. These cluster crystals exhibit astonishing new features that have not been encountered in hard matter so far. Such systems react upon compression by increasing the average cluster size while the lattice spacings remain constant.

In the present work, we study the dynamic properties of cluster crystals by means of molecular dynamics simulations. We employ advanced data analysis techniques to characterise the spectrum of vibrations in such systems. We identify two different kinds of oscillatory motion of particles in the system, corresponding to single-particle and collective motion.

In the cluster crystals under consideration, diffusion takes place through so-called particle hopping processes between distinct cluster sites. We analyse the behaviour of hopping particles in detail and show that a significant fraction of hopping events is highly correlated and involves particles travelling over many nearest-neighbour distances. Our results shed some new light on the microscopic mechanisms of diffusion at work in cluster crystals.