Struktur und Dynamik von Flüssigkeiten in eingeschränkter Geometrie

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan U. Egelhaaf (†)
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 383534318

Transport in Fluiden in räumlich beschränkter Geometrie ist von fundamentalem Interesse, sowohl aus theoretischer Sicht, als auch im Hinblick auf Anwendungen wie Mikrofluidik, Vergüten von Materialien, bis zur Reibung und dem Schmieren durch dünne Filme. Wohingegen für Lineardimensionen der Beschränkung, die viel größer als die Teilchendurchmesser sind, die Struktur sich im wesentlich ungestört verhält und die Dynamik durch hydrodynamische Betrachtungen beschrieben werden kann, erwartet man drastische Änderungen sowohl von Struktur und Dynamik für Längenskalen, die vergleichbar zum Teilchenabstand sind. Der wohl prominenteste Effekt ist als Layering oder Schichtbildung bekannt, in dem das Dichteprofil ein Anhäufen von Teilchen nahe der Wände aufweist, gefolgt von typischen Oszillationen durch dichtes Packen. Weiterhin sind die Zweipunktkorrelationsfunktion, wie z.B. die Paarverteilung, signifikant durch das Wechselspiel des kurzreichweitigen lokalen Packens und den begrenzten Wänden beeinflusst. Für die Dynamik erwartet man aus diesem Wettstreit Konsequenzen für die Transportkoeffizienten, insbesondere in der Nähe des strukturellen Arrests oder auch Glasübergangs.Ziel des Projekts ist eine Charakterisierung der strukturellen und dynamischen Eigenschaften dichter Fluide in engen Schlitzen. Diese Frage wird hier sowohl mittels Computersimulationen, Laborexperimenten, als auch theoretischer Zugänge behandelt. Die Zielgrößen sind geeignet verallgemeinerte intermediäre Streufunktionen, sowohl für den Fall der kohärenten als auch der Einteilchendynamik. Unser theoretischer Zugang basiert auf einer vor kurzem entwickelten Modenkopplungstheorie für beschränkte Geometrie. Im Zentrum des Projekts liegt eine verlässliche numerische Implementierung der Theorie. Damit kann dann ein Nichtgleichgewichtszustandsdiagramm bestimmt und die zugehörigen Nichtergodizitätsparameter erhalten werden, welche die eingefrorene Struktur des Glases charakterisieren. Allgemeiner noch sollte die Theorie die vollständige Zeitabhängigkeit der intermediären Streufunktionen liefern. Erweiterungen für die Selbstbewegung erlauben es die mittleren Verschiebungsquadrate und Selbstdiffusionskoeffizienten vorherzusagen. Da die Theorie die statischen Eigenschaften als Parameter verwendet, beabsichtigen wir das Verhalten von Fluiden in extrem eingeschränkter Geometrie genauer zu beleuchten. Die theoretischen Zugänge werden durch Computersimulationen und eine Reihe von Experimenten für Hartkugelsysteme oder Mischungen in Schlitz- oder Keilgeometrie komplementiert. Wichtigstes Ziel ist es, alle relevanten beobachtbaren Größen der Theorie zu messen und einen kritischen Vergleich von Theorie, Computersimulationen und Laborexperimenten durchzuführen. Der wissenschaftliche Fortschritt des Projekts ist eine erste mikroskopische Beschreibung der Dynamik in stark eingeschränkter Geometrie zu erzielen, welche sorgfältig gegen Computer- und Laborexperimente getestet wurde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Thomas Franosch