Monte Carlo simulations of Potts glasses

A complete understanding of the glass transition isstill a challenging problem. Some researchers attributeit to the (hypothetical) occurrence of a static phasetransition, others emphasize the dynamical transitionof mode coupling-theory from an ergodic to a non ergodicstate. A class of disordered spin models has been foundwhich unifies both scenarios. One of these models isthe p-state infinite range Potts glass with p>4, whichexhibits in the thermodynamic limit both a dynamicalphase transition at a temperature T_D, and a static oneat T_0 < T_D. In this model every spins interacts withall the others, irrespective of distance. Interactionsare taken from a Gaussian distribution.In order to understand better its behavior forfinite number N of spins and the approach to thethermodynamic limit, we have performed extensive MonteCarlo simulations of the p=10 Potts glass up to N=2560.The time-dependent spin-autocorrelation function C(t)shows strong finite size effects and it does not showa plateau even for temperatures around the dynamicalcritical temperature T_D. We show that the N-andT-dependence of the relaxation time for T > T_D can beunderstood by means of a dynamical finite size scalingAnsatz.The behavior in the spin glass phase down to atemperature T=0.7 (about 60% of the transitiontemperature) is studied. Well equilibratedconfigurations are obtained with the paralleltempering method, which is also useful for properlyestablishing static properties, such as the orderparameter distribution function P(q). Evidence is givenfor the compatibility with a one step replica symmetrybreaking scenario. The study of the cumulants of theorder parameter does not permit a reliable estimation ofthe static transition temperature. The autocorrelationfunction at low T exhibits a two-step decay, and ascaling behavior typical of supercooled liquids, thetime-temperature superposition principle, is observed. Inthis region the dynamics is governed by Arrheniusrelaxations, with barriers growing like N^{1/2}.We analyzed the single spin dynamics down to temperaturesmuch lower than the dynamical transition temperature. We found strong dynamical heterogeneities, which explainthe non-exponential character of the spin autocorrelationfunction. The spins seem to relax according to dynamicalclusters. The model in three dimensions tends to acquireferromagnetic order for equal concentration of ferro-and antiferromagnetic bonds. The ordering has differentcharacteristics from the pure ferromagnet. The spinglass susceptibility behaves like chi_{SG} proportionalto 1/T in the region where a spin glass is predicted toexist in mean-field. Also the analysis of the cumulantsis consistent with the absence of spin glass orderingat finite temperature. The dynamics shows multi-scalerelaxations if a bimodal distribution of bonds isused. We propose to understand it with a model based onthe local spin configuration. This is consistent with theabsence of plateaus if Gaussian interactions are used.

Computer simulation studies of vector spin glasses

Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit klassischen Vektor-Spingläsern eine Art von ungeordneten Magneten - auf verschiedenen Gittertypen. Da siernbedeutsam für eine experimentelle Realisierung sind, ist ein theoretisches Verständnis von Spinglas-Modellen mit wenigen Spinkomponenten und niedriger Gitterdimension von großer Bedeutung. Da sich dies jedoch als sehr schwierigrnerweist, sind neue, aussichtsreiche Ansätze nötig. Diese Arbeit betrachtet daher den Limesrnunendlich vieler Spindimensionen. Darin entstehen mehrere Vereinfachungen im Vergleichrnzu Modellen niedriger Spindimension, so dass für dieses bedeutsame Problem Eigenschaften sowohl bei Temperatur Null als auch bei endlichen Temperaturenrnüberwiegend mit numerischen Methoden ermittelt werden. Sowohl hyperkubische Gitter als auch ein vielseitiges 1d-Modell werden betrachtet. Letzteres erlaubt es, unterschiedliche Universalitätsklassen durch bloßes Abstimmen eines einzigen Parameters zu untersuchen. "Finite-size scaling''-Formen, kritische Exponenten, Quotienten kritischer Exponenten und andere kritische Größen werden nahegelegt und mit numerischen Ergebnissen verglichen. Eine detaillierte Beschreibung der Herleitungen aller numerisch ausgewerteter Gleichungen wird ebenso angegeben. Bei Temperatur Null wird eine gründliche Untersuchung der Grundzustände und Defektenergien gemacht. Eine Reihe interessanter Größen wird analysiert und insbesondere die untere kritische Dimension bestimmt. Bei endlicher Temperatur sind der Ordnungsparameter und die Spinglas-Suszeptibilität über die numerisch berechnete Korrelationsmatrix zugänglich. Das Spinglas-Modell im Limes unendlich vieler Spinkomponenten kann man als Ausgangspunkt zur Untersuchung der natürlicheren Modelle mit niedriger Spindimension betrachten. Wünschenswert wäre natürlich ein Modell, das die Vorteile des ersten mit den Eigenschaften des zweiten verbände. Daher wird in Modell mit Anisotropie vorgeschlagen und getestet, mit welchem versucht wird, dieses Ziel zu erreichen. Es wird auf reizvolle Wege hingewiesen, das Modell zu nutzen und eine tiefergehende Beschäftigung anzuregen. Zuletzt werden sogenannte "real-space" Renormierungsgruppenrechnungen sowohl analytisch als auch numerisch für endlich-dimensionale Vektor-Spingläser mit endlicher Anzahl von Spinkomponenten durchgeführt. Dies wird mit einer zuvor bestimmten neuen Migdal-Kadanoff Rekursionsrelation geschehen. Neben anderen Größen wird die untere kritische Dimension bestimmt.

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts : structure, diffusion dynamics and vibrational properties

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts: Structure, diffusion dynamics and vibrational properties. In this work computer simulations of the model glass formers SiO2 and B2O3 are presented, using the techniques of classical molecular dynamics (MD) simulations and quantum mechanical calculations, based on density functional theory (DFT). The latter limits the system size to about 100−200 atoms. SiO2 and B2O3 are the two most important network formers for industrial applications of oxide glasses. Glass samples are generated by means of a quench from the melt with classical MD simulations and a subsequent structural relaxation with DFT forces. In addition, full ab initio quenches are carried out with a significantly faster cooling rate. In principle, the structural properties are in good agreement with experimental results from neutron and X-ray scattering, in all cases. A special focus is on the study of vibrational properties, as they give access to low-temperature thermodynamic properties. The vibrational spectra are calculated by the so-called ”frozen phonon” method. In all cases, the DFT curves show an acceptable agreement with experimental results of inelastic neutron scattering. In case of the model glass former B2O3, a new classical interaction potential is parametrized, based on the liquid trajectory of an ab initio MD simulation at 2300 K. In this course, a structural fitting routine is used. The inclusion of 3-body angular interactions leads to a significantly improved agreement of the liquid properties of the classical MD and ab initio MD simulations. However, the generated glass structures, in all cases, show a significantly lower fraction of 3-membered planar boroxol rings as predicted by experimental results (f=60%-80%). The largest boroxol ring fraction of f=15±5% is observed in the full ab initio quenches from 2300 K. In case of SiO2, the glass structures after the quantum mechanical relaxation are the basis for calculations of the linear thermal expansion coefficient αL(T), employing the quasi-harmonic approximation. The striking observation is a change change of sign of αL(T) going along with a temperature range of negative αL(T) at low temperatures, which is in good agreement with experimental results.

Solvatationsdynamik: lokales Relaxationsverhalten glasbildender Systeme

In dieser Arbeit wurde das lokale Relaxationsverhalten niedermolekularer glasbildender Materialien mit der Methode der Solvatationsdynamik untersucht. Bei dieser Methode werden phosphoreszente Farbstoffe als molekulare Sonden für die lokale Dynamik im Glasbildner eingesetzt. Je nach verwendeter Sonde sind unterschiedliche Eigenschaften zugänglich:Mit Farbstoffen, die ihr Dipolmoment bei optischer Anregung nicht ändern, wird eine mechanische Solvatation gemessen, die die lokale viskoelastische Antwort des Materials widerspiegelt. Mit Farbstoffen, die eine Änderung des Dipolmoments bei optischer Anregung aufweisen,sind zusätzlich lokale dielektrische Eigenschaften des Materials zugänglich, die bei endlicher Polarität des Lösungsmittels dominieren. Das heterogene Relaxationsverhalten des Glasbildners 2-Methyltetrahydrofuran wurde quantitativ untersucht.Auf einem Temperaturbereich, auf dem die mittlere Relaxationszeit um mehr als 4 Dekaden variiert, konnte gezeigt werden, daß die Relaxation lokal rein exponentiell verläuft. Zur Abschätzung von Reichweiteneffekten wurden Solvatationsmessungen in einschränkenden Geometrien in Form von porösen Sol-Gel Gläsern mit Porendurchmessern zwischen 7,5-2,5 nm durchgeführt. Der Einfluß der Beschaffenheit der Porenoberfläche wurde durch Vergleichzwischen der Solvatation in nativen und in silanisierten Gläsern untersucht. Es wurde gezeigt, daß auch in den kleinsten verwendeten silanisierten Poren alle Charakteristika des jeweiligen Bulk-Systems erhalten bleiben.In den nativen porösen Gläsern dagegen führt der Einfluß der stark polaren Oberfläche zu einer Änderung der Dynamik.

Raman-spektroskopische Untersuchungen an Alkali- und Erdalkalisilicatgläsern bei hohen Temperaturen

In der vorliegenden Arbeit wird die Struktur von Alkali- und Erdalkalisilicatglaesern bei hohen Temperaturen (bis 1800 K) mit Hilfe der Raman-Spektroskopie untersucht. Ein wesentlicher Teil der vorliegenden Arbeit besteht in dem Aufbau einer Hochtemperatureinrichtung, die es erlaubt, Raman-Spektren von Silicatglaesern bei sehr hohen Temperaturen zu messen. Mit der Hochtemperatur-Raman-Spektroskopie an Silicatglaesern sind erhebliche experimentelle Schwierigkeiten verbunden: Die thermische Strahlung der Probe überlagert sich mit dem Raman-Spektrum.Die Temperaturbestimmung der Glasprobe, die einen Durchmesser von nur 0,8 mm hat, erfolgt durch den Vergleich der Stokes- und Anti-Stokes-Raman-Intensitaeten einer intensiven Linie einer Referenzprobe. Die Natriumsilicatglaeser werden detailliert untersucht und die Verteilung der Struktureinheiten in den Natriumsilicatglaesern wird zwischen Zimmertemperatur und 900 K bestimmt. Aus der Verteilung der Strukturelemente wird eine Gleichgewichtskonstante K berechnet, welche die Disproportionierungsreaktion zwischen den Struktureinheiten in den Glaesern beschreibt. Der Wert für die Reaktionsenthalpie liegt im untersuchten Konzentrationsbereich zwischen 0 und 28 kJ/mol und haengt systematisch von der Zusammensetzung ab. Die Reaktionsenthalpie nimmt mit zunehmendem Natriumoxid-Gehalt zu.Die quantitative Auswertung der Raman-Spektren der Kaliumsilicatglaeser und der Bariumsilicatglaeser ist auf Grund deren Kristallisation bei hohen Temperaturen mit Problemen behaftet.

Molekulardynamik-Untersuchungen zur atomistischen Struktur & Dynamik von binären Mischgläsern

Mit Hilfe von Molekulardynamik-Computersimulationen werdenin dieser Arbeit die Struktur und Dynamik von Gläsern undSchmelzen der Systeme 'NSx'=(Na2O)(xSiO2), mit x=2,3,5, und'AS2'=(Al2O3)(2SiO2) untersucht. Zur Beschreibung dermikroskopischen Wechselwirkungen dient ein Modellpotenzial,das auf einem effektiven Paarpotenzial aus der Literaturaufbaut. Simuliert wurden Teilchentrajektorien über mehrereNanosekunden im Bereich 6100 K >= T >= 2100 K sowie dieGlasstruktur bei 100 K (NSx) bzw. 300 K (AS2). Das Aufbrechen der tetraedrischen Netzwerkstruktur durch denNetzwerkmodifikator Na2O führt zur Ausbildung einerzusätzlichen Struktur auf intermediären Längenskalen, diebei allen Systemen NSx etwa dem Abstand übernächster Na-bzw. Si-Nachbarn eines Na-Atoms entspricht. Die diffusiveDynamik ist in allen Systeme NSx bis zu drei Größenordnungenschneller als in SiO2 . Sie nimmt mit wachsenderNa-Konzentration zu. Die Na-Diffusion zeigtArrhenius-Verhalten; hierbei vollführen die Na-Atome einaktiviertes Hüpfen durch eine erstarrte Si-O-Matrix. DieZustandsdichten werden bis ca. 20 THz durch dominanteNa-Moden bestimmt. Bei hohen Frequenzen weichen die für SiO2 typischen intratetraedrischen Si-O-Schwingungsmodenauf.Im Gegensatz zu Na2O wird Al2O3 in die tetraedrischeNetzwerkstruktur eingebunden. AS2 zeigt eine überwiegend ausAlO4- und SiO4-Tetraedern verknüpfte Polyederstruktur, beider sich die AlO4-Tetraeder lokal anders anordnen als dieSiO4-Tetraeder, um Ladungsausgleich zu gewährleisten. Esbilden sich typische 3(Si,Al)O4-Bausteine ('3-Cluster'). Sie führen auf intermediären Längenskalen zur Ausbildungeines Al-reichen perkolierenden Netzwerks, das dieSiO4-Struktur durchdringt. Im Vergleich zu SiO2 erhöht sichdie diffusive Dynamik aller Komponenten in AS2 um ca. zweiGrößenordnungen. Die intratetraedrischenAl-O-Steckschwingungsmoden sind wesentlich weicher als die typischen intratetraedrischen Si-O-Moden des SiO2.

Cellulose based Lithium ion polymer electrolytes for Lithium batteries

The separator membrane in batteries and fuel cells is of crucial importance for the function of these devices. In lithium ion batteries the separator membrane as well as the polymer matrix of the electrodes consists of polymer electrolytes which are lithium ion conductors. To overcome the disadvantage of currently used polymer electrolytes which are highly swollen with liquids and thus mechanically and electrochemically unstable, the goal of this work is a new generation of solid polymer electrolytes with a rigid backbone and a soft side chain structure. Moreover the novel material should be based on cheap substrates and its synthesis should not be complicated aiming at low overall costs. The new materials are based on hydroxypropylcellulose and oligoethyleneoxide derivatives as starting materials. The grafting of the oligoethyleneoxide side chains onto the cellulose was carried out following two synthetic methods. One is based on a bromide derivative and another based on p-toluolsulfonyl as a leaving group. The side chain reagents were prepared form tri(ethylene glycol) monoethyl ether. In order to improve the mechanical properties the materials were crosslinked. Two different conceptions have been engaged based on either urethane chemistry or photosensitive dimethyl-maleinimide derivatives. PEO - graft - cellulose derivatives with a high degree of substitution between 2,9 and 3,0 were blended with lithium trifluoromethane-sulfonate, lithium bis(trifluorosulfone)imide and lithium tetrafluoroborate. The molar ratios were in the range from 0,02 to 0,2 [Li]/[O]. The products have been characterized with nuclear magnetic resonance (NMR), gel permeation chromatography (GPC) and laserlight scattering (LS) with respect to their degree of substitution and molecular weight. The effect of salt concentration on ionic conductivity, thermal behaviour and morphology has been investiga-ted with impedance spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA). The crosslinking reactions were controlled with dynamic mechanical analysis (DMS). The degree of substitution of our products is varying between 2,8 and 3,0 as determined by NMR. PEO - graft - cellulose derivatives are highly viscous liquids at room temperature with glass transition temperatures around 215 K. The glass transition temperature for the Lithium salt complexes of PEO - graft - cellulose deri-vatives increase with increasing salt content. The maximum conductivity at room temperature is about 10-4 and at 100°C around 10-3 Scm-1. The presence of lithium salt decreases the thermal stability of the complexes in comparison to pure PEO - graft - cellulose derivatives. Complexes heated over 140 – 150°C completely lose their ionic conductivity. The temperature dependence of the conductivity presented as Arrhenius-type plots for all samples is similar in shape and follows a VTF behaviour. This proofs that the ionic transport is closely related to the segmental motions of the polymer chains. Novel cellulose derivatives with grafted oligoethylen-oxide side chains with well-defined chemical structure and high side chain grafting density have been synthesized. Cellulose was chosen as stiff, rod like macromolecule for the backbone while oligoethylen-oxides are chosen as flexible side chains. A maximum grafting density of 3.0 have been obtained. The best conductivity reaches 10-3 Scm-1 at 100°C for a Li-triflate salt complex with a [Li]/[O] ratio of 0.8. The cross-linked complexes containing the lithium salts form elastomeric films with convenient mechanical stability. Our method of cellulose modification is based on relatively cheap and commercially available substrates and as such appears to be a promising alternative for industrial applications.

Synthesis and characterisation of photoreactive silanes for the self-assembly on functionalised silica surfaces

The aim of this thesis was to investigate novel techniques to create complex hierarchical chemical patterns on silica surfaces with micro to nanometer sized features. These surfaces were used for a site-selective assembly of colloidal particles and oligonucleotides. To do so, functionalised alkoxysilanes (commercial and synthesised ones) were deposited onto planar silica surfaces. The functional groups can form reversible attractive interactions with the complementary surface layers of the opposing objects that need to be assembled. These interactions determine the final location and density of the objects onto the surface. Photolithographically patterned silica surfaces were modified with commercial silanes, in order to create hydrophilic and hydrophobic regions on the surface. Assembly of hydrophobic silica particles onto these surfaces was investigated and finally, pH and charge effects on the colloidal assembly were analysed. In the second part of this thesis the concept of novel, "smart" alkoxysilanes is introduced that allows parallel surface activation and patterning in a one-step irradiation process. These novel species bear a photoreactive head-group in a protected form. Surface layers made from these molecules can be irradiated through a mask to remove the protecting group from selected regions and thus generate lateral chemical patterns of active and inert regions on the substrate. The synthesis of an azide-reactive alkoxysilane was successfully accomplished. Silanisation conditions were carefully optimised as to guarantee a smooth surface layer, without formation of micellar clusters. NMR and DLS experiments corroborated the absence of clusters when using neither water nor NaOH as catalysts during hydrolysis, but only the organic solvent itself. Upon irradiation of the azide layer, the resulting nitrene may undergo a variety of reactions depending on the irradiation conditions. Contact angle measurements demonstrated that the irradiated surfaces were more hydrophilic than the non-irradiated azide layer and therefore the formation of an amine upon irradiation was postulated. Successful photoactivation could be demonstrated using condensation patterns, which showed a change in wettability on the wafer surface upon irradiation. Colloidal deposition with COOH functionalised particles further underlined the formation of more hydrophilic species. Orthogonal photoreactive silanes are described in the third part of this thesis. The advantage of orthogonal photosensitive silanes is the possibility of having a coexistence of chemical functionalities homogeneously distributed in the same layer, by using appropriate protecting groups. For this purpose, a 3',5'-dimethoxybenzoin protected carboxylic acid silane was successfully synthesised and the kinetics of its hydrolysis and condensation in solution were analysed in order to optimise the silanisation conditions. This compound was used together with a nitroveratryl protected amino silane to obtain bicomponent surface layers. The optimum conditions for an orthogonal deprotection of surfaces modified with this two groups were determined. A 2-step deprotection process through a mask generated a complex pattern on the substrate by activating two different chemistries at different sites. This was demonstrated by colloidal adsorption and fluorescence labelling of the resulting substrates. Moreover, two different single stranded oligodeoxynucleotides were immobilised onto the two different activated areas and then hybrid captured with their respective complementary, fluorescent labelled strand. Selective hybridisation could be shown, although non-selective adsorption issues need to be resolved, making this technique attractive for possible DNA microarrays.