Titelaufnahme

Titel
Ordered equilibrium structures of patchy particle systems / von Günther Doppelbauer
VerfasserDoppelbauer, Günther
Begutachter / BegutachterinKahl, Gerhard ; Ziherl, Primo
Erschienen2012
Umfang167 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2012
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Weiche Materie / Patchy Particles / Festkörper / Kristallstrukturen / Optimierungsalgorithmen / Evolutionäre Algorithmen / Energielandschaften
Schlagwörter (EN)Soft Matter / Patchy Particles / Solid State / Crystal Structures / Optimization Algorithms / Evolutionary Algorithms / Energy Landscapes
Schlagwörter (GND)Weiche Materie / Festkörper / Kristallstruktur / Gleichgewicht / Ordnungszustand / Evolutionärer Algorithmus
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-47562 Persistent Identifier (URN)
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Ordered equilibrium structures of patchy particle systems [11.4 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Systeme der weichen Materie, die typischerweise aus mesoskopischen Teilchen in einem Lösungsmittel aus mikroskopischen Teilchen bestehen, können bei niedrigen Temperaturen im festen Aggregatzustand in einer Vielzahl von geordneten Strukturen auftreten.

Die Vorhersage dieser Strukturen bei bekannten Teilchenwechselwirkungen und unter vorgegebenen thermodynamischen Bedingungen wurde in den letzten Jahrzehnten als eines der großen ungelösten Probleme der Physik der kondensierten (weichen) Materie angesehen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das die geordneten Phasen dieser Systeme vorhersagt; dieses beruht auf heuristischen Optimierungsmethoden, wie etwa evolutionären Algorithmen. Um die thermodynamisch stabile geordnete Teilchenkonfiguration an einem bestimmten Zustandspunkt zu finden, wird das entsprechende thermodynamische Potential minimiert und die dem globalen Minimum entsprechende Phase identifiziert. Diese Technik wird auf Modellsysteme für sogenannte kolloidale "Patchy Particles" angewandt. Die "Patches" sind dabei als begrenzte Regionen mit abweichenden physikalischen oder chemischen Eigenschaften auf der Oberfläche kolloidaler Teilchen definiert. "Patchy Particles" weisen, zusätzlich zur isotropen Hartkugelabstoßung der Kolloide, sowohl abstoßende als auch anziehende anisotrope Wechselwirkungen zwischen den "Patches" auf. Durch neue Synthetisierungsmethoden können solche Teilchen mit maßgeschneiderten Eigenschaften erzeugt werden. Deshalb werden "Patchy Particles" oft als neuartige Bausteine angesehen, die sich unter idealen Bedingungen ohne weitere äußere Einflussnahme zu wohldefinierten makroskopischen Strukturen zusammenfügen können. Die Systeme, die in dieser Arbeit (sowohl in zwei als auch in drei Dimensionen) behandelt werden reichen von aus wenigen Teilchen bestehenden Clustern bis hin zu unendlich ausgedehnten Kristallen.

Zusammenfassung (Englisch)

Soft matter systems, typically consisting of mesoscopic particles in a microscopic solvent, can form a surprisingly rich variety of solid, ordered structures at low temperature. A reliable prediction which solid phases will appear for given particle interactions under certain thermodynamic conditions has been considered a major problem in (soft) condensed matter physics for several decades. In this thesis, we present a prediction method based on heuristic global optimization schemes such as evolutionary algorithms. In order to find the most stable configuration of a system at a given thermodynamic state point, the particle arrangement corresponding to the global minimum of the appropriate thermodynamic potential, such as the (free) energy or enthalpy, is identified.

We apply these optimization methods to model systems for so-called patchy colloidal particles. Patches are defined as finite regions on the colloidal surface, which differ in their physical or chemical properties from the rest of the surface. Such particles are characterized, in addition to the isotropic excluded volume interactions of the colloids, by attractive as well as repulsive directional interactions induced by the patches. Novel synthesization techniques yield particles with desired properties. Thus, patchy particles are often seen as building blocks that are able to self-assemble into well-defined ordered macroscopic structures under certain external conditions. The systems we investigate range from finite clusters to bulk crystals in two as well as three dimensions.