Patterns in and kinetics of phase separation in binary mixtures

This work focused mainly on two aspects of kinetics of phase separation in binary mixtures. In the first part, we studied the interplay of hydrodynamics and the phase separation of binary mixtures. A considerably flat container (a laterally extended geometry), at an aspect ratio of 14:1 (diameter: height) was chosen, so that any hydrodynamic instabilities, if they arise, could be tracked. Two binary mixtures were studied. One was a mixture of methanol and hexane, doped with 5% ethanol, which phase separated under cooling. The second was a mixture of butoxyethanol and water, doped with 2% decane, which phase separated under heating. The dopants were added to bring down the phase transition temperature around room temperature.rnrnAlthough much work has been done already on classical hydrodynamic instabilities, not much has been done in the understanding of the coupling between phase separation and hydrodynamic instabilities. This work aimed at understanding the influence of phase separation in initiating any hydrodynamic instability, and also vice versa. Another aim was to understand the influence of the applied temperature protocol on the emergence of patterns characteristic to hydrodynamic instabilities. rnrnOn slowly cooling the system continuously, at specific cooling rates, patterns were observed in the first mixture, at the start of phase separation. They resembled the patterns observed in classical Rayleigh-Bénard instability, which arises when a liquid continuously is heated from below. To suppress this classical convection, the cooling setup was tuned such that the lower side of the sample always remained cooler by a few millikelvins, relative to the top. We found that the nature of patterns changed with different cooling rates, with stable patterns appearing for a specific cooling rate (1K/h). On the basis of the cooling protocol, we estimated a modified Rayleigh number for our system. We found that the estimated modified Rayleigh number is near the critical value for instability, for cooling rates between 0.5K/h and 1K/h. This is consistent with our experimental findings. rnrnThe origin of the patterns, in spite of the lower side being relatively colder with respect to the top, points to two possible reasons. 1) During phase separation droplets of either phases are formed, which releases a latent heat. Our microcalorimetry measurements show that the rise in temperature during the first phase separation is in the order of 10-20millikelvins, which in some cases is enough to reverse the applied temperature bias. Thus phase separation in itself initiates a hydrodynamic instability. 2) The second reason comes from the cooling protocol itself. The sample was cooled from above and below. At sufficiently high cooling rates, there are situations where the interior of the sample is relatively hotter than both top and bottom of the sample. This is sufficient to create an instability within the cell. Our experiments at higher cooling rates (5K/h and above) show complex patterns, which hints that there is enough convection even before phase separation occurs. Infact, theoretical work done by Dr.Hayase show that patterns could arise in a system without latent heat, with symmetrical cooling from top and bottom. The simulations also show that the patterns do not span the entire height of the sample cell. This is again consistent with the cell sizes measured in our experiment.rnrnThe second mixture also showed patterns at specific heating rates, when it was continuously heated inducing phase separation. In this case though, the sample was turbid for a long time until patterns appeared. A meniscus was most probably formed before the patterns emerged. We attribute the reason of patterns in this case to Marangoni convection, which is present in systems with an interface, where local differences in surface tension give rise to an instability. Our estimates for the Rayleigh number also show a significantly lower number than that's required for RB-type instability.rnrnIn the first part of the work, therefore, we identify two different kinds of hydrodynamic instabilities in two different mixtures. Both are observed during, or after the first phase separation. Our patterns compare with the classical convection patterns, but here the origins are from phase separation and the cooling protocol.rnrnIn the second part of the work, we focused on the kinetics of phase separation in a polymer solution (polystyrene and methylcyclohexane), which is cooled continuously far down into the two phase region. Oscillations in turbidity, denoting material exchange between the phases are seen. Three processes contribute to the phase separation: Nucleation of droplets, their growth and coalescence, and their subsequent sedimentation. Experiments in low molecular binary mixtures had led to models of oscillation [43] which considered sedimentation time scales much faster than the time scales of nucleation and growth. The size and shape of the sample therefore did not matter in such situations. The oscillations in turbidity were volume-dominated. The present work aimed at understanding the influence of sedimentation time scales for polymer mixtures. Three heights of the sample with same composition were studied side by side. We found that periods increased with the sample height, thus showing that sedimentation time determines the period of oscillations in the polymer solutions. We experimented with different cooling rates and different compositions of the mixture, and we found that periods are still determined by the sample height, and therefore by sedimentation time. rnrnWe also see that turbidity emerges in two ways; either from the interface, or throughout the sample. We suggest that oscillations starting from the interface are due to satellite droplets that are formed on droplet coalescence at the interface. These satellite droplets are then advected to the top of the sample, and they grow, coalesce and sediment. This type of an oscillation wouldn't require the system to pass the energy barrier required for homogenous nucleation throughout the sample. This mechanism would work best in sample where the droplets could be effectively advected throughout the sample. In our experiments, we see more interface dominated oscillations in the smaller cells and lower cooling rates, where droplet advection is favourable. In larger samples and higher cooling rates, we mostly see that the whole sample becomes turbid homogenously, which requires the system to pass the energy barrier for homogenous nucleation.rnrnOscillations, in principle, occur since the system needs to pass an energy barrier for nucleation. The height of the barrier decreases with increasing supersaturation, which in turn is from the temperature ramp applied. This gives rise to a period where the system is clear, in between the turbid periods. At certain specific cooling rates, the system can follow a path such that the start of a turbid period coincides with the vanishing of the last turbid period, thus eliminating the clear periods. This means suppressions of oscillations altogether. In fact we experimentally present a case where, at a certain cooling rate, oscillations indeed vanish. rnrnThus we find through this work that the kinetics of phase separation in polymer solution is different from that of a low molecular system; sedimentation time scales become relevant, and therefore so does the shape and size of the sample. The role of interface in initiating turbid periods also become much more prominent in this system compared to that in low molecular mixtures.rnrnIn summary, some fundamental properties in the kinetics of phase separation in binary mixtures were studied. While the first part of the work described the close interplay of the first phase separation with hydrodynamic instabilities, the second part investigated the nature and determining factors of oscillations, when the system was cooled deep into the two phase region. Both cases show how the geometry of the cell can affect the kinetics of phase separation. This study leads to further fundamental understandings of the factors contributing to the kinetics of phase separation, and to the understandings of what can be controlled and tuned in practical cases. rn

Zusammenhang zwischen der Einzelkettendynamik und der Dynamik von Konzentrationsfluktuationen in mehrkomponentigen Polymersystemen

Zusammmenfassung:Um Phasenseparation in binären Polymermischungen zuuntersuchen, werden zwei dynamische Erweiterungen der selbstkonsistenten Feldtheorie (SCFT)entwickelt. Die erste Methode benutzt eine zeitliche Entwicklung der Dichten und wird dynamische selbstkonsistente Feldtheorie (DSCFT) genannt, während die zweite Methode die zeitliche Propagation der effektiven äußeren Felder der SCFT ausnutzt. Diese Methode wird mit External Potential Dynamics (EPD) bezeichnet. Für DSCFT werden kinetische Koeffizienten verwendet, die entweder die lokale Dynamik von Punktteilchen oder die nichtlokale Dynamik von Rouse'schen Polymeren nachbilden. Die EPD-Methode erzeugt mit einem konstanten kinetischen Koeffizienten die Dynamik von Rouse'schen Ketten und benötigt weniger Rechenzeit als DSCFT. Diese Methoden werden für verschiedene Systeme angewendet.Zuerst wird spinodale Entmischung im Volumen untersucht,wobei der Unterschied zwischen lokaler und nichtlokalerDynamik im Mittelpunkt steht. Um die Gültigkeit derErgebnisse zu überprüfen, werden Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt. In Polymermischungen, die von zwei Wänden, die beide die gleiche Sorte Polymere bevorzugen, eingeschränkt werden, wird die Bildung von Anreicherungsschichten an den Wänden untersucht. Für dünne Polymerfilme zwischen antisymmetrischen Wänden, d.h. jede Wand bevorzugt eine andere Polymerspezies, wird die Spannung einer parallel zu den Wänden gebildeten Grenzfläche analysiert und der Phasenübergang von einer anfänglich homogenen Mischung zur lokalisierten Phase betrachtet. Des Weiteren wird die Dynamik von Kapillarwellenmoden untersucht.

Dynamik unterkühlter Flüssigkeiten in Filmen und Röhren

GERMAN:Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll der Einfluß einerräumlichen Beschränkung auf die Dynamik einer unterkühltenFlüssigkeit charakterisiert werden. Insbesondere sollgeklärt werden, welche Rolle die Kooperativität derTeilchenbewegung bei niedrigen Temperaturen spielt. Hierzuuntersuchen wir mit Hilfe einer Molekulardynamik-Computersimulation die dynamischen Eigenschaften eineseinfachen Modellglasbildners, einer binäre Lennard-Jones-Flüssigkeit, für Systeme mit unterschiedlichen Geometrienund Wandarten. Durch geschickte Wahl der Wandpotentiale konnte erreichtwerden, daß die Struktur der Flüssigkeit mit der im Bulknahezu identisch ist.In Filmen mit glatten Wänden beobachtet man, daß dieDynamik der Flüssigkeit in der Nähe der Wand starkbeschleunigt ist und sich diese veränderte Dynamik bis weitin den Film ausbreitet. Den umgekehrten Effekt erhält man,wenn man eine strukturierte, rauhe Wand verwendet, in derenNähe die Dynamik stark verlangsamt ist.Die kontinuierliche Verlangsamung bzw. Beschleunigung derDynamik vom Verhalten an der Oberfläche zum Bulkverhaltenin genügend großem Abstand zur Wand können wirphänomenologisch beschreiben. Hieraus kann mancharakteristische dynamische Längenskalen ablesen, die mitsinkender Temperatur kontinuierlich anwachsen, d.h. derBereich, in dem die Existenz der Wand einen (indirekten)Einfluß auf die Dynamik eines Flüssigkeitsteilchens hat,breitet sich immer weiter aus. Man kann daher vonBereichen kooperativer Bewegung sprechen, die mit sinkenderTemperatur anwachsen.Unsere Untersuchungen von Röhren zeigen, daß aufgrund desstärkeren Einflusses der Wände die beobachteten Effektegrößer sind als in Filmgeometrie. Bei Reduzierung derSystemgröße zeigen sich immer größere Unterschiede zumBulkverhalten.

Investigations of cooperative interactions in template induced crystallization processes and kinetic studies of nucleation and growth by small-angle neutron scattering

Zusammenfassung Um zu einem besseren Verständnis des Prozesses der Biomineralisation zu gelangen, muss das Zusammenwirken der verschiedenen Typen biologischer Makromoleküle, die am Keimbildungs- und Wachstumsprozess der Minerale beteiligt sind, berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wird ein neues Modellsystem eingeführt, das aus einem SAM (self-assembled monolayer) mit verschiedenen Funktionalitäten und unterschiedlichen, gelösten Makromolekülen besteht. Es konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Vaterit (CaCO3) sowie Strontianit (SrCO3) Nanodrähten der Präsenz von Polyacrylat in Kooperation mit einer COOH-funktionalisierten SAM-Oberfläche zugeschrieben werden kann. Die Kombination bestehend aus einer polaren SAM-Oberfläche und Polyacrylat fungiert als Grenzfläche für die Struktur dirigierende Kristallisation von Nanodraht-Kristallen. Weiter konnte gezeigt werden, dass die Phasenselektion von CaCO3 durch die kooperative Wechselwirkung zwischen einer SAM-Oberfläche und einem daran adsorbierten hb-Polyglycerol kontrolliert wird. Auch die Funktionalität einer SAM-Oberfläche in Gegenwart von Carboxymethyl-cellulose übt einen entscheidenden Einfluss auf die Phasenselektion des entstehenden Produktes aus. In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an CaCO3 zur homogenen Keimbildung, zur Nukleation in Gegenwart eines Proteins sowie auf Kolloiden, die als Template fungieren, mittels Kleinwinkel-Neutronenstreuung durchgeführt. Die homogene Kristallisation in wässriger Lösung stellte sich als ein mehrstufiger Prozess heraus. In Gegenwart des Eiweißproteins Ovalbumin konnten drei Phasen identifiziert werden, darunter eine anfänglich vorhandene amorphe sowie zwei kristalline Phasen.

Molekulardynamiksimulationen zur Untersuchung des Mischalkali-Effektes in silikatischen Gläsern

In der vorliegenden Arbeit wird mittels Molekulardynamik(MD)-Computersimulationen die Dynamik von verschiedenen Alkalisilikaten in der Schmelze und im Glas untersucht. Es ist bekannt, daß diese Systeme ionenleitend sind, was auf eine hohe Mobilität der Alkaliionen im Vergleich zu den glasbildenden Komponenten Si und O zurückzuführen ist. Im Mittelpunkt des Interesses steht der sog. Mischalkalieffekt (MAE), der in ternären Mischungen aus Siliziumdioxid mit zwei Alkalioxiden auftritt. Gegenüber Mischungen mit nur einer Alkaliionensorte weisen letztere Systeme eine signifikante Verlangsamung der Alkaliionendiffusion auf. Zunächst werden zwei binäre Alkalisilikate simuliert, nämlich Lithiumdisilikat (LS2) und Kaliumdisilikat (KS2). Die Simulationen zeigen, daß der Ursprung der hohen Mobilität der Alkaliionen in der Struktur begründet ist. KS2 und LS2 weisen auf intermediären Längenskalen Ordnung auf, die in partiellen statischen Strukturfaktoren durch Prepeaks reflektiert ist. Die den Prepeaks zugrundeliegende Struktur erklärt sich durch perkolierende Netzwerke aus alkalioxidreichen Kanälen, die als Diffusionskanäle für die mobilen Alkaliionen fungieren. In diesen Kanälen bewegen sich die Ionen mittels Sprüngen (Hopping) zwischen ausgezeichneten Plätzen. In der Simulation beobachtet man für die hohen Temperaturen (4000K>=1500K) eine ähnliche Aktivierungsenergie wie im Experiment. Im Experiment findet allerdings unterhalb von ca.1200K ein Crossover in ein Arrheniusverhalten mit höherer Aktivierungsenergie statt, welches von der Simulation nicht nachvollzogen wird. Das kann mit der in der Simulation nicht im Gleichgewicht befindlichen Si-O-Matrix erklärt werden, bei der Alterungseffekte beobachtet werden. Am stärksten ist der MAE für eine Alkalikomponente, wenn deren Konzentrationsanteil in einem ternären Mischalkalisystem gegen 0 geht. Daher wird ein LS2-System untersucht, in dem ein Li-Ion gegen ein K-Ion getauscht wird. Der Einfluß des K-Ions ist sowohl lokal in den charakteristischen Abständen zu den ersten nächsten Nachbarn (NN) zu sehen, als auch in der ortsaufgelösten Koordinationszahlverteilung bis zu Längenskalen von ca. 8,5 Angstrom. Die Untersuchung der Dynamik des eingesetzten K-Ions zeigt, daß die Sprungwahrscheinlichkeit nicht mit der Lokalisierung, einem Maß für die Bewegung eines Teilchens um seine Ruheposition, korreliert ist, aber daß eine chemische Umgebung mit wenig Li- und vielen O-NN oder vielen Li- und wenig O-NN ein Sprungereignis begünstigt. Zuletzt wird ein ternäres Alkalisilikat (LKS2) untersucht, dessen Struktur alle charakteristischen Längenskalen von LS2 und KS2 aufweist. Es stellt sich also eine komplexe Struktur mit zwei perkolierenden Subnetzwerken für Alkaliionen ein. Die Untersuchung der Dynamik zeigt eine geringe Wahrscheinlichkeit dafür auf, daß Ionen in ein Subnetzwerk andersnamiger Ionen springen. Auch kann gezeigt werden, daß das Modellpotential den MAE reproduzieren kann, daß also die Diffusionskonstanten in LKS2 bei bis zu einer Größenordnung langsamer sind als in KS2 bzw. LS2. Der beobachtete Effekt stellt sich zudem vom funktionalen Verlauf her so dar, wie er beim MAE erwartet wird. Es wurde auch festgestellt, daß trotz der zeitlichen Verzögerung in den dynamischen Größen die Anzahl der Sprünge pro Zeit nicht geringer ist und daß für niedrige Temperaturen (d.h.im Glas) Sprünge auf den Nachbarplatz mit anschließendem Rücksprung auf die vorherige Position deutlich wahrscheinlicher sind als bei hohen Temperaturen (also in der Schmelze). Die vorliegenden Resultate geben Aufschluß über die Details der Mechanismen mikroskopischer Ionenleitung in binären und ternären Alkalisilikaten sowie dem MAE.

Reinforcement Lernen mit Regularisierungsnetzwerken

Die Arbeit behandelt das Problem der Skalierbarkeit von Reinforcement Lernen auf hochdimensionale und komplexe Aufgabenstellungen. Unter Reinforcement Lernen versteht man dabei eine auf approximativem Dynamischen Programmieren basierende Klasse von Lernverfahren, die speziell Anwendung in der Künstlichen Intelligenz findet und zur autonomen Steuerung simulierter Agenten oder realer Hardwareroboter in dynamischen und unwägbaren Umwelten genutzt werden kann. Dazu wird mittels Regression aus Stichproben eine Funktion bestimmt, die die Lösung einer "Optimalitätsgleichung" (Bellman) ist und aus der sich näherungsweise optimale Entscheidungen ableiten lassen. Eine große Hürde stellt dabei die Dimensionalität des Zustandsraums dar, die häufig hoch und daher traditionellen gitterbasierten Approximationsverfahren wenig zugänglich ist. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Reinforcement Lernen durch nichtparametrisierte Funktionsapproximation (genauer, Regularisierungsnetze) auf -- im Prinzip beliebig -- hochdimensionale Probleme anwendbar zu machen. Regularisierungsnetze sind eine Verallgemeinerung von gewöhnlichen Basisfunktionsnetzen, die die gesuchte Lösung durch die Daten parametrisieren, wodurch die explizite Wahl von Knoten/Basisfunktionen entfällt und so bei hochdimensionalen Eingaben der "Fluch der Dimension" umgangen werden kann. Gleichzeitig sind Regularisierungsnetze aber auch lineare Approximatoren, die technisch einfach handhabbar sind und für die die bestehenden Konvergenzaussagen von Reinforcement Lernen Gültigkeit behalten (anders als etwa bei Feed-Forward Neuronalen Netzen). Allen diesen theoretischen Vorteilen gegenüber steht allerdings ein sehr praktisches Problem: der Rechenaufwand bei der Verwendung von Regularisierungsnetzen skaliert von Natur aus wie O(n**3), wobei n die Anzahl der Daten ist. Das ist besonders deswegen problematisch, weil bei Reinforcement Lernen der Lernprozeß online erfolgt -- die Stichproben werden von einem Agenten/Roboter erzeugt, während er mit der Umwelt interagiert. Anpassungen an der Lösung müssen daher sofort und mit wenig Rechenaufwand vorgenommen werden. Der Beitrag dieser Arbeit gliedert sich daher in zwei Teile: Im ersten Teil der Arbeit formulieren wir für Regularisierungsnetze einen effizienten Lernalgorithmus zum Lösen allgemeiner Regressionsaufgaben, der speziell auf die Anforderungen von Online-Lernen zugeschnitten ist. Unser Ansatz basiert auf der Vorgehensweise von Recursive Least-Squares, kann aber mit konstantem Zeitaufwand nicht nur neue Daten sondern auch neue Basisfunktionen in das bestehende Modell einfügen. Ermöglicht wird das durch die "Subset of Regressors" Approximation, wodurch der Kern durch eine stark reduzierte Auswahl von Trainingsdaten approximiert wird, und einer gierigen Auswahlwahlprozedur, die diese Basiselemente direkt aus dem Datenstrom zur Laufzeit selektiert. Im zweiten Teil übertragen wir diesen Algorithmus auf approximative Politik-Evaluation mittels Least-Squares basiertem Temporal-Difference Lernen, und integrieren diesen Baustein in ein Gesamtsystem zum autonomen Lernen von optimalem Verhalten. Insgesamt entwickeln wir ein in hohem Maße dateneffizientes Verfahren, das insbesondere für Lernprobleme aus der Robotik mit kontinuierlichen und hochdimensionalen Zustandsräumen sowie stochastischen Zustandsübergängen geeignet ist. Dabei sind wir nicht auf ein Modell der Umwelt angewiesen, arbeiten weitestgehend unabhängig von der Dimension des Zustandsraums, erzielen Konvergenz bereits mit relativ wenigen Agent-Umwelt Interaktionen, und können dank des effizienten Online-Algorithmus auch im Kontext zeitkritischer Echtzeitanwendungen operieren. Wir demonstrieren die Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes anhand von zwei realistischen und komplexen Anwendungsbeispielen: dem Problem RoboCup-Keepaway, sowie der Steuerung eines (simulierten) Oktopus-Tentakels.

Alternative reproductive tactics, sexual selection and the effects of inbreeding in the ant Hypoponera opacior

Inbreeding can lead to a fitness reduction due to the unmasking of deleterious recessive alleles and the loss of heterosis. Therefore, most sexually reproducing organisms avoid inbreeding, often by disperal. Besides the avoidance of inbreeding, dispersal lowers intraspecific competition on a local scale and leads to a spreading of genotypes into new habitats. In social insects, winged reproductives disperse and mate during nuptial flights. Therafter, queens independently found a new colony. However, some species also produce wingless sexuals as an alternative reproductive tactic. Wingless sexuals mate within or close to their colony and queens either stay in the nest or they found a new colony by budding. During this dependent colony foundation, wingless queens are accompanied by a fraction of nestmate workers. The production of wingless reproductives therefore circumvents the risks associated with dispersal and independent colony foundation. However, the absence of dispersal can lead to inbreeding and local competition.rnIn my PhD-project, I investigated the mating biology of Hypoponera opacior, an ant that produces winged and wingless reproductives in a population in Arizona. Besides the investigation of the annual reproductive cycle, I particularly focused on the consequences of wingless reproduction. An analysis of sex ratios in wingless sexuals should reveal the relative importance of local resource competition among queens (that mainly compete for the help of workers) and local mate competition among males. Further, sexual selection was expected to act on wingless males that were previously found to mate with and mate-guard pupal queens in response to local mate competition. We studied whether males are able to adapt their mating behaviour to the current competitive situation in the nest and which traits are under selection in this mating situation. Last, we investigated the extent and effects of inbreeding. As the species appeared to produce non-dispersive males and queens quite frequently, we assumed to find no or only weak negative effects of inbreeding and potentially mechanisms that moderate inbreeding levels despite frequent nest-matings.rnWe found that winged and wingless males and queens are produced during two separate seasons of the year. Winged sexuals emerge in early summer and conduct nuptial flights in July, when climate conditions due to frequent rainfalls lower the risks of dispersal and independent colony foundation. In fall, wingless sexuals are produced that reproduce within the colonies leading to an expansion on the local scale. The absence of dispersal during this second reproductive season resulted in a local genetic population viscosity and high levels of inbreeding within the colonies. Male-biased sex ratios in fall indicated a greater importance of local resource competition among queens than local mate competition among males. Males were observed to adjust mate-guarding durations to the competitive situation (i.e. the number of competing males and pupae) in the nest, an adaptation that helps maximising their reproductive success. Further, sexual selection was found to act on the timing of emergence as well as on body size in these males, i.e. earlier emerging and larger males show a higher mating success. Genetic analyses revealed that wingless males do not actively avoid inbreeding by choosing less related queens as mating partners. Further, we detected diploid males, a male type that is produced instead of diploid females if close relatives mate. In contrast to many other Hymenopteran species, diploid males were here viable and able to sire sterile triploid offspring. They did not differ in lifespan, body size and mating success from “normal” haploid males. Hence, diploid male production in H. opacior is less costly than in other social Hymenopteran species. No evidence of inbreeding depression was found on the colony level but more inbred colonies invested more resources into the production of sexuals. This effect was more pronounced in the dispersive summer generation. The increased investment in outbreeding sexuals can be regarded as an active strategy to moderate the extent and effects of inbreeding. rnIn summary, my thesis describes an ant species that has evolved alternative reproductive tactics as an adaptation to seasonal environmental variations. Hereby, the species is able to maintain its adaptive mating system without suffering from negative effects due to the absence of dispersal flights in fall.rn