Non-equilibrium computer experiments of soft matter systems

Abstract

Die Weiche Materie hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einem überaus aktiven Forschungsfeld entwickelt, das durch einen hohen Grad an Interdisziplinarität gekennzeichnet ist: Physiker, Chemiker, Werkstoffkundler, Biologen und Mediziner arbeiten auf diesem Gebiet eng zusammen. Im Gegensatz zu Systemen der harten kondensierten Materie, deren physikalische Eigenschaften ausschließlich durch die Elektronenstruktur der atomaren Bestandteile gegeben sind, werden die Eigenschaften der Weichen Materie von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, die durch sehr unterschiedliche Längen- und Zeitskalen charakterisiert sind: Dazu zählen etwa das mikroskopische Lösungsmittel (mit seinen physikalisch/chemischen Eigenschaften) oder die darin gelösten mesoskopischen Teilchen, deren innere Struktur im Rahmen geeigneter Syntheseprozesse gezielt beeinflusst werden kann. Während die Gleichgewichtseigenschaften vieler Systeme der weichen Materie mittlerweile sehr intensiv und ausführlich erforscht worden sind, so ist nur sehr wenig über ihr Verhalten außerhalb des Gleichgewichts bekannt.<br />Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe von Computersimulationen die Nichtgleichgewichtseigenschaften einiger dieser komplexer Systeme - teilweise unter dem Einfluss äußerer Begrenzungen - zu untersuchen und somit zu einem tieferen Verständnis dieser Eigenschaften beizutragen.<br />Die im Rahmen dieser Arbeit behandelten Problemstellungen reichen von stark verdünnten Systemen mit rigiden und flexiblen Tracer-Partikeln unter Einschluss in Kavitäten bis hin zu dichten Cluster-Kristallen unter dem Einfluss des strömenden Lösungsmittels. Im Rahmen unserer Arbeiten haben wir eine Vielzahl neuartiger und überraschender Eigenschaften entdeckt, wie zum Beispiel stark verlangsamte Diffusionsprozesse und Scherverzähung, und erwarten ein weites Spektrum an interessanten, technologisch relevanten Anwendungsmöglichkeiten für diese komplexen Materialien.<br />

During the last decades, soft matter science developed into a highly active research field, attracting the interest of a vast number of different disciplines, such as chemistry, material science, biology and medicine. In striking contrast to hard matter systems, whose properties are essentially fixed by the electronic structure of the atoms, the situation in soft matter systems, also known as "complex fluids", is distinctly more involved, since many different length and time scales are relevant. While the equilibrium properties of many soft materials have been studied in depth by now, only little is known about their behavior out of equilibrium. Therefore we have conducted extensive computer simulations to study the transport and flow properties of selected soft matter systems, in an effort to understand the non-equilibrium characteristics of these complex systems in a more profound way. The investigated problems range from dilute systems containing rigid and flexible tracer particles under confinement to dense cluster crystals under flow. We have discovered a variety of novel properties such as highly slowed-down, confinement-induced diffusion processes and shear thickening, and we anticipate a wide spectrum of future applications for these complex materials.