Dynamik dichter Mischungen: Kinetische und thermodynamische Einflüsse in Nichtgleichtwichts-Fluktuationen, Phasenseparation und Strukturbildung

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Krüger; Professor Dr. Peter Sollich
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436452781

Die Relaxation von Systemen fern vom Gleichgewicht ist ein bedeutendes Problem der theoretischen und experimentellen Physik. Insbesondere sind hier Mischungen, die aus vielen Teilchensorten bestehen, zu nennen, die sowohl im Bereich weicher Materie (wie zum Beispiel in kolloidalen Suspensionen) als auch in biologischen Flüssigkeiten (zum Beispiel im Zytoplasma) in vielerlei Varianten vorkommen. Solche Mischungen zeigen hochkomplexe Phasendiagramme aufgrund der ungleichen Verteilung der verschiedenen Teilchensorten auf koexistierende Phasen. Im Nichtgleichgewicht, zum Beispiel bei Phasentrennung nach Temperaturänderung, wird dies um facettenreiche dynamische Prozesse erweitert. Diese Prozesse tragen, zusätzlich zur Thermodynamik, die Signatur kinetischer Eigenschaften, die in Kontinuumsbeschreibungen in den Mobilitäten enthalten sind, und welche insbesondere in dichten (glasartigen) Systemen von reicher Struktur sind: Die Bewegung verschiedener Teilchensorten in entgegengesetzter Richtung kann je nach Situation schneller oder langsamer als die gemeinsame Bewegung der Sorten sein. Dies führt zu einer Reihe neuartiger Phänomene wie zum Beispiel der Entstehung von Zeitskalen-Hierarchien und metastabilen Strukturen, welche größtenteils unverstanden sind. Das beantragte Projekt wird die Dynamik dichter Mischungen theoretisch untersuchen und neue Methoden hierfür entwickeln. Wichtigste Innovationen werden die theoretische Verbindung der Thermodynamik der beiden genannten Grenzfälle biologischer und kolloidaler Systeme, sowie die Untersuchung der komplexen Kinetik in dichten Systemen sein. In beiden Bereichen werden neue theoretische Konzepte entwickelt, wodurch ein signifikanter Entwicklungssprung in Beschreibung und Verständnis dichter Mischungen erreicht werden soll. Der Arbeitsplan erlaubt und benötigt dabei ein synergetisches Zusammenkommen der Vorkenntnisse der Antragsteller: Diese sind Methoden der Vergröberung und theoretische Zugänge zur Beschreibung von Nichtgleichgewichtsflüssigkeiten (M. Krüger) und Projektionsmethoden für die Analyse der Phasentrennung in Mischungen vieler Komponenten (P. Sollich).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen