Glass formation of colloids in porous media

Abstract

Bringt man eine Flüssigkeit mit einem porösen Medium in Berührung, so wirkt sich dies tiefgreifend auf die Eigenschaften der Flüssigkeit aus. Dieses Phänomen spielt beispielsweise bei der Förderung von Erdöl oder der Bewegung von Eiweißmolekülen in Zellplasma eine maßgebliche Rolle. Bei zahlreichen Vorgängen dieser Art bewegt sich die Flüssigkeit "langsam" hinsichtlich der Umordnung ihrer Teilchen, was von besonderer Bedeutung im Zusammenhang mit porösen Medien ist, da diese eine solche Flüssigkeit nicht nur verlangsamen, sondern unter Umständen auch beschleunigen können. Welche dieser beiden Möglichkeiten tatsächlich eintritt, hängt dabei von den Eigenschaften der Flüssigkeit und des Mediums sowie von den äußeren Bedingungen ab. In dieser Arbeit befassten wir uns mit diesem Effekt sowie darüber hinaus mit den dynamischen Eigenschaften von Flüssigkeiten in porösen Medien im Allgemeinen. Unsere Untersuchungen basierten auf umfangreichen Computersimulationen eines vereinfachten Modells, in dem sich die Teilchen einer Flüssigkeit durch ein poröses Medium aus ungeordneten, räumlich fixierten Teilchen bewegten. Die im Rahmen dieses Modells verwendeten Teilchen wurden dabei nach dem Vorbild kolloidaler Suspensionen modelliert und wechselwirkten mittels besonders einfacher Kräfte. Bei der Erforschung dieser Modellsysteme widmeten wir uns insbesondere dem sogenannten Glasübergang, bei dem das Abkühlen einer Flüssigkeit bewirkt, dass die Umordnung ihrer Teilchen bei einer Temperatur weit über dem Nullpunkt vollständig zum Erliegen kommt. Dies ist gleichbedeutend mit der Bildung eines amorphen Festkörpers. Der Glasübergang bot sich aus zwei Gründen als Studienobjekt an: Einerseits ist trotz jahrzehntelanger Forschung noch immer nicht genau bekannt, welche physikalischen Mechanismen diesen Übergang verursachen; andererseits trifft ein vor wenigen Jahren ausgearbeitetes theoretisches Konzept umfassende Voraussagen zu Glasübergängen in unserem Modell.<br />Unsere Arbeit förderte zahlreiche aufschlussreiche Ergebnisse zutage:<br />Unter anderem konnten wir ungewöhnliche Glasübergänge identifizieren, atypische Teilchenbewegungsarten beobachten und die Porenstruktur des Modellmediums im Detail charakterisieren. Darüber hinaus konnten wir wesentliche Einblicke in die physikalischen Zusammenhänge gewinnen, die unseren Beobachtungen zugrunde liegen, wodurch unsere Erkenntnisse signifikant zum Verständnis der dynamischen Eigenschaften von Flüssigkeiten in porösen Medien beitragen.<br />

Confining a liquid to a disordered medium may drastically change the physical properties of the liquid. This impact of confinement is crucial to processes like the extraction of mineral oil from porous rocks or the motion of proteins in cytoplasm. In those cases, as in many others, the relevant feature of the confined liquid is its slow dynamics, i.e., the slow propagation of its particles. It is therefore intriguing that depending on the details of the system, the introduction of confinement may accelerate a liquid's dynamics-or decelerate it. This work aims at elucidating this phenomenon in particular, and the dynamics of liquids in disordered media in general. We approach this challenge by means of extensive computer simulations of a model in which the particles of a liquid permeate a medium of immobile, disordered particles. We consider this model for particularly simple particles as they occur in nature in the form of colloids, i.e., nano- to micrometer-sized particles in a solute. In our study of the model, we devote special attention to its glass transitions, i.e., to the phenomenon that upon cooling or compressing a liquid, its particles entirely cease to propagate and a disordered solid is formed at a nonzero temperature. We focus on this issue for two reasons: firstly, the nature of the glass transition is still a matter of debate, and secondly, a recently-developed theoretical framework makes detailed predictions for this transition within our model. As the principal achievements of our work, we unveiled unconventional glass transitions in the model, exposed unusual types of particle propagation in it, and characterized in detail the pore structure of its confinement. Together with the insights we gained on the underlying physical mechanisms, our findings contribute significantly to a deeper understanding of the dynamics of liquids in disordered media.