Structure formation and fractionation in systems of colloidal rods

• Main Author: Richter, Andreas
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universität Potsdam 2007
• Subjects: Monte Carlo; Stäbchen; Polydispersität; attraktive Wechselwirkung; Substrat; rods; polydispersity; attractive interaction; substrate; Physics
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-13090; http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2007/1309/

Nowadays, colloidal rods can be synthesized in large amounts. The rods are typically cylindrically and their length ranges from several nanometers to a few micrometers. In solution, systems of colloidal rodlike molecules or aggregates can form liquid-crystalline phases with long-range orientational and spatial order. In the present work, we investigate structure formation and fractionation in systems of rodlike colloids with the help of Monte Carlo simulations in the NPT ensemble. Repulsive interactions can successfully be mimicked by the hard rod model, which has been studied extensively in the past. In many cases, attractive interactions like van der Waals or depletion forces cannot be neglected, however. In the first part of this work, the phase behavior of monodisperse attractive rods is characterized for different interaction strengths. Phase diagrams as a function of rod length and pressure are presented. Most systems of synthesized mesoscopic rods have a polydisperse length distribution as a consequence of the longitudinal growth process of the rods. For many technical and research applications, a rather small polydispersity is desired in order to have well defined material properties. The polydispersity can be reduced by a spatial demixing (fractionation) of long and short rods. Fractionation and structure formation is studied in a tridisperse and a polydisperse bulk suspension of rods. We observe that the resulting structures depend distinctly on the interaction strength. The fractionation in the system is strongly enhanced with increasing interaction strength. Suspensions are typically confined in a container. We also examine the influence of adjacent substrates in systems of tridisperse and polydisperse rod suspensions. Three different substrate types are studied in detail: a planar wall, a corrugated substrate, and a substrate with rectangular cavities. We analyze the fluid structure close to the substrate and substrate controlled fractionation. The spatial arrangement of long and short rods in front of the substrate depends sensitively on the substrate structure and the pressure. Rods with a predefined length are segregated at substrates with rectangular cavities. === Kolloidale Stäbchen können mittlerweile in großen Mengen hergestellt werden. Die Form der Stäbchen ist in der Regel zylinderförmig und ihre Länge reicht von einigen Nanometern bis hin zu wenigen Mikrometern. Systeme aus kolloidalen stäbchenförmigen Molekülen oder Aggregaten können in Lösung flüssigkristalline Phasen mit langreichweitiger Orientierungs- und Raumordnung ausbilden. Im Rahmen dieser Arbeit werden Strukturbildung und Fraktionierung in Systemen aus stäbchenförmigen Kolloiden mittels Monte Carlo Simulationen im NPT Ensemble untersucht. Replusive Wechselwirkungen können erfolgreich durch harte Stäbchen modelliert werden. Dieses Modell wurde in der Vergangenheit bereits ausgiebig untersucht. Oft jedoch können attraktive Wechselwirkungen, wie z.~B. van der Waals- oder Depletionskräfte, nicht vernachlässigt werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wird das Phasenverhalten von monodispersen attraktiven Stäbchen bei unterschiedlichen Wechselwirkungsstärken charakterisiert. Es werden Phasendiagramme bezüglich der Parameter Druck und Stäbchenlänge präsentiert. Die überwiegende Mehrzahl von Systemen aus synthetisierten mesoskopischen Stäbchen weist eine polydisperse Längenverteilung aufgrund des Längswachstums auf. Für eine Reihe technischer und wissenschaftlicher Anwendungen sind hingegen schmale Längenverteilungen wünschenswert, um wohl definierte Materialeigenschaften zu haben. Die Polydispersität kann durch räumliche Trennung (Fraktionierung) langer und kurzer Stäbchen reduziert werden. Fraktionierung und Strukturbildung werden in einer tridispersen und einer polydispersen Suspension untersucht. Wir beobachten, dass die entstehenden Strukturen ganz wesentlich von der Wechselwirkungsstärke abhängen. Der Grad der Fraktionierung wird durch Attraktivität stark erhöht. Suspensionen befinden sich typischerweise in Gefäsen. Wir untersuchen daher auch den Einfluss von begrenzenden Substraten auf Systeme aus tridispersen und polydispersen Stäbchensuspensionen. Drei verschiedene Substratstrukturen werden genauer betrachtet: Eine planare Wand, ein riefenförmiges Substrat und Substrate mit rechteckigen Aussparungen. Wir untersuchen die Flüssigkeitsstruktur in Substratnähe und substratinduzierte Fraktionierung. Die räumliche Anordnung von langen und kurzen Stäbchen hängt sehr sensibel von der Substratstruktur und dem Druck ab. Stäbchen mit einer festgelegten Länge werden an Substraten mit rechteckigen Aussparungen abgesondert.