Deformable hard particles confined in a disordered porous matrix

Abstract

Kolloide sind im Alltag allgegenwärtig, einschließlich zahlreicher industriellen Anwendungen: beispielsweise als Dünger in der Agrikultur, oder im Bergbau zur Verbesserung des Ertrags bei der Treibstoffgewinnung. Aber ebenfalls im akademischen Bereich wächst das Interesse an der Erforschung von Kolloiden in den Bereichen der Physik, Chemie, Biologie und Medizin. Ein Teilgebiet dieser Forschung, welches besonders für den industriellen Sektor von Relevanz ist, ist die Untersuchung des Verhaltens von kolloidalen Teilchen eingebettet in ein poröses Medium; solch einen Fall findet mein beispielsweise bei Proteinmolekülen im Cytoplasma der Zellen. Diese Moleküle sind allerdings nicht starr in ihrer Form (wie oft angenommen wird). Sie sind in der Lage sich zu verformen und können ihre Gestalt ihrer Umgebung anpassen. Diese Eigenschaft vereinfacht es ihnen sich durch ihre entsprechende Umgebung zu bewegen. Das Ziel dieser Arbeit war es ein realistisches Modell zu finden zur Erforschung solcher Systeme von deformierbaren, kolloidalen Teilchen eingebettet in eine ungeordnete poröse Matrix. Im Bestreben eines systematischen Vorgehens, untersuchten wir zuerst die statischen und dynamischen Eigenschaften von harten Teilchen, welche ihre usprünglich kugelförmige Gestalt in eine ellipsoide verändern können. Darauf folgend betteten wir diese Teilchen in eine Matrix ein, bestehend aus starren (un-deformierbaren) kugelförmigen Teilchen, wobei nur die erste Art von Teilchen die Möglichkeit besitzt sich zu bewegen. Wir untersuchten umfangreich wie sich dabei die Fähigkeit dieser Teilchen sich zu verformen auf ihre statischen und dynamischen Eigenschaften auswirkt. Dies führten wir im Rahmen zahlreicher entsprechend entwickelter Monte-Carlo Simulationen durch. Wie erwartet, konnten wir quantitativ verifizieren, dass eine erhöhte Fähigkeit sich zu verformen sich positiv auf das Bewegungsvermögen der Teilchen auswirkt, während sie sich durch die poröse Matrix bewegen.

Colloids are ubiquituous in every day life, including many industrial applications: for instance, colloidal particles are used as fertilizers in agricultural applications or in mining industry for improving the yield in oil recovery processes. But also in the academic sector an increasing share of research has been dedicated during past years to colloids in the fields of physics, chemistry, biology or medicine. One subfield of research which is of particular relevance in industrial applications are studies of colloidal particles immersed into a disordered porous media; such a scenario is, for instance, encountered when proteins move through the cytoplasm of cells. These colloidal molecules are not rigid (as one often assumes), but deformable and can strongly adapt their shape according to the surrounding environment. This capacity enables these particles to propagate more easily through the related environment. The goal of this thesis was to find and to investigate a realistic system of deformable colloidal particles confined in a disordered porous matrix. In an effort to proceed in a systematic manner, we have first examined the static and the dynamic properties of a system of hard particles which can deform their shape from a spherical one into an ellipsoidal one. Then we have immersed these particles into a matrix, formed by rigid (i.e., undeformable) spherical particles, where the former ones represent the mobile component. We have investigated in detail how the capacity of deformation influences the static and the dynamic properties of the mobile particles. Investigations were carried out on large scales with suitably developed Monte Carlo simulations. As expected, we could verify on a quantitative level that an increased deformability enhances the mobility of the deformable particles as they move through the matrix.