Computer simulations of colloidal fluids in confinement

Computer-Simulationen von Kolloidalen Fluiden in Beschränkten Geometrien Kolloidale Suspensionen, die einen Phasenübergang aufweisen, zeigen eine Vielfalt an interessanten Effekten, sobald sie auf eine bestimmte Geometrie beschränkt werden, wie zum Beispiel auf zylindrische Poren, sphärische Hohlräume oder auf einen Spalt mit ebenen Wänden. Der Einfluss dieser verschiedenen Geometrietypen sowohl auf das Phasenverhalten als auch auf die Dynamik von Kolloid-Polymer-Mischungen wird mit Hilfe von Computer-Simulationen unter Verwendung des Asakura-Oosawa- Modells, für welches auf Grund der “Depletion”-Kräfte ein Phasenübergang existiert, untersucht. Im Fall von zylindrischen Poren sieht man ein interessantes Phasenverhalten, welches vom eindimensionalen Charakter des Systems hervorgerufen wird. In einer kurzen Pore findet man im Bereich des Phasendiagramms, in dem das System typischerweise entmischt, entweder eine polymerreiche oder eine kolloidreiche Phase vor. Sobald aber die Länge der zylindrischen Pore die typische Korrelationslänge entlang der Zylinderachse überschreitet, bilden sich mehrere quasi-eindimensionale Bereiche der polymerreichen und der kolloidreichen Phase, welche von nun an koexistieren. Diese Untersuchungen helfen das Verhalten von Adsorptionshysteresekurven in entsprechenden Experimenten zu erklären. Wenn das Kolloid-Polymer-Modellsystem auf einen sphärischen Hohlraum eingeschränkt wird, verschiebt sich der Punkt des Phasenübergangs von der polymerreichen zur kolloidreichen Phase. Es wird gezeigt, dass diese Verschiebung direkt von den Benetzungseigenschaften des Systems abhängt, was die Beobachtung von zwei verschiedenen Morphologien bei Phasenkoexistenz ermöglicht – Schalenstrukturen und Strukturen des Janustyps. Im Rahmen der Untersuchung von heterogener Keimbildung von Kristallen innerhalb einer Flüssigkeit wird eine neue Simulationsmethode zur Berechnung von Freien Energien der Grenzfläche zwischen Kristall- bzw. Flüssigkeitsphase undWand präsentiert. Die Resultate für ein System von harten Kugeln und ein System einer Kolloid- Polymer-Mischung werden anschließend zur Bestimmung von Kontaktwinkeln von Kristallkeimen an Wänden verwendet. Die Dynamik der Phasenseparation eines quasi-zweidimensionalen Systems, welche sich nach einem Quench des Systems aus dem homogenen Zustand in den entmischten Zustand ausbildet, wird mit Hilfe von einer mesoskaligen Simulationsmethode (“Multi Particle Collision Dynamics”) untersucht, die sich für eine detaillierte Untersuchung des Einflusses der hydrodynamischen Wechselwirkung eignet. Die Exponenten universeller Potenzgesetze, die das Wachstum der mittleren Domänengröße beschreiben, welche für rein zwei- bzw. dreidimensionale Systeme bekannt sind, können für bestimmte Parameterbereiche nachgewiesen werden. Die unterschiedliche Dynamik senkrecht bzw. parallel zu den Wänden sowie der Einfluss der Randbedingungen für das Lösungsmittel werden untersucht. Es wird gezeigt, dass die daraus resultierende Abschirmung der hydrodynamischen Wechselwirkungsreichweite starke Auswirkungen auf das Wachstum der mittleren Domänengröße hat.

Self-assembly of diblock copolymer mixtures in confined states: A Monte Carlo study

The self-assembly of diblock copolymer mixtures (A-b-B/A-b-C or A-b-B/B-b-C mixtures) subjected to cylindrical confinement (two-dimensional confinement) was investigated using a Monte Carlo method. In this study, the boundary surfaces were configured to attract blocks A but repel blocks B and C. Relative to the structures of the individual components, the self-assembled structures of mixtures of the diblock copolymers were more complex and interesting. Under cylindrical confinement, with varying cylinder diameters and interaction energies between the boundary surfaces and the blocks, we observed a variety of interesting morphologies. Upon decreasing the cylinder's diameter, the self-assembled structures of the A(15)B(15)/A(15)C(15) mixtures changed from double-helix/cylinder structures (blocks B and C formed double helices, whereas blocks A formed the outer barrel and inner core) to stacked disk/cylinder structures (blocks B and C formed the stacked disk core, blocks A formed the outer cylindrical barrel), whereas the self-assembled structures of the A(15)B(7)/B7C15 mixtures changed from concentric cylindrical barrel structures to screw/cylinder structures (blocks C formed an inside core winding with helical stripes, whereas blocks A and B formed the outer cylindrical barrels) and then finally to the stacked disk/cylinder structures.

Low-energy exciton states in a ZnO cylindrical nanodisk

We consider the electron-hole pair confined in a simplified infinite potential. The low-lying excition states in a ZnO cylindrical nanodisk are calculated based on effective-mass theory. To further understand the optical properties, we calculate the linear optical susceptibilities chi(w) and the radiative recombination lifetime tau of excitons in a ZnO nanodisk. The exciton radiative lifetime in a cylindrical nanodisk is of the order of tens of picoseconds, which is small compared with the lifetime of bulk ZnO material. (C) 2008 American Institute of Physics. [DOI: 10.1063/1.3006134]

Collisional exitation soft X-ray laser at 23.6 nm in a laser-produced cylindrical target

We have tested soft X-ray lasing in neon-like germanium with cylindrical targets where wave guiding and plasma confinement may affect lasing. An intense soft X-ray laser beam of 0.05 MW peak power and a narrow beam divergence (8 mrad) was produced at 23.6 nm with a 4 cm long straight cylindrical target of 0.72 mm inner diameter. Bending the cylindrical target to form a toroidal shape increased the lasing intensity by a factor of 3 accompanied with reduction of the beam divergence from 8 to 6 mrad.

An analytical study of the power distribution pattterns of silica waveguides with high paraboloic cylindrical deformation

An attempt is made to determine the relative power distribution in a step-index parabolic cylindrical waveguide (PCW) with high deformation across the direction of propagation. The guide is assumed to be made of silica. The scalar field approximation is employed for the analysis under which a vanishing refractive-index (RI) difference in the waveguide materials is considered. Further, no approximation for folds- is used in the analytical treatment. Due to the geometry of such waceguides, PCWs lose the well-defined modal discreteness, and a kind of mode bunching is observed instead, which becomes much more prominent in PCWs with high bends. However, with the increase in cross-sectional size, the mode-bunching tendency is slightly reduced. The general expressions for power in the guiding and nonguiding sections are obtained, and the fractional power patterns in all of the sections are presented for PCWs of various cross-sectional dimensions. It is observed that the confinement of power in the core section is increased for PCWs of larger cross-sectional size. Moreover, a fairly uniform distribution of power is seen over the modes having intermediate values of propagation constants

Ideal internal kink modes in a differentially rotating cylindrical plasma

The Velikhov effect leading to magnetorotational instability (MRI) is incorporated into the theory of ideal internal kink modes in a differentially rotating cylindrical plasma column. It is shown that this effect can play a stabilizing role for suitably organized plasma rotation profiles, leading to suppression of MHD (magnetohydrodynamic) instabilities in magnetic confinement systems. The role of this effect in the problem of the Suydam and the m = 1 internal kink modes is elucidated, where m is the poloidal mode number.

Inverted critical adsorption of polyelectrolytes in confinement

What are the fundamental laws for the adsorption of charged polymers onto oppositely charged surfaces, for convex, planar, and concave geometries? This question is at the heart of surface coating applications, various complex formation phenomena, as well as in the context of cellular and viral biophysics. It has been a long-standing challenge in theoretical polymer physics; for realistic systems the quantitative understanding is however often achievable only by computer simulations. In this study, we present the findings of such extensive Monte-Carlo in silico experiments for polymer-surface adsorption in confined domains. We study the inverted critical adsorption of finite-length polyelectrolytes in three fundamental geometries: planar slit, cylindrical pore, and spherical cavity. The scaling relations extracted from simulations for the critical surface charge density sigma(c)-defining the adsorption-desorption transition-are in excellent agreement with our analytical calculations based on the ground-state analysis of the Edwards equation. In particular, we confirm the magnitude and scaling of sigma(c) for the concave interfaces versus the Debye screening length 1/kappa and the extent of confinement a for these three interfaces for small kappa a values. For large kappa a the critical adsorption condition approaches the known planar limit. The transition between the two regimes takes place when the radius of surface curvature or half of the slit thickness a is of the order of 1/kappa. We also rationalize how sigma(c)(kappa) dependence gets modified for semi-flexible versus flexible chains under external confinement. We examine the implications of the chain length for critical adsorption-the effect often hard to tackle theoretically-putting an emphasis on polymers inside attractive spherical cavities. The applications of our findings to some biological systems are discussed, for instance the adsorption of nucleic acids onto the inner surfaces of cylindrical and spherical viral capsids.

How different is water crystallization from polymer crystallization under confinement?

Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Einblicke in das Kristallisationsverhalten weicher Materie („soft matter“), wie verschiedener Polymere oder Wasser, unter räumlicher Einschränkung („confinement“) zu erlangen. Dabei sollte untersucht werden, wie, weshalb und wann die Kristallisation in nanoporösen Strukturen eintritt. Desweiteren ist Kristallisation weicher Materie in nanoporösen Strukturen nicht nur aus Aspekten der Grundlagenforschung von großem Interesse, sondern es ergeben sich zahlreiche praktische Anwendungen. Durch die gezielte Steuerung der Kristallinität von Polymeren könnten somit Materialien mit verschiendenen mechanischen und optischen Eigenschaften erhalten werden. Desweiteren wurde auch räumlich eingeschränktes Wasser untersucht. Dieses spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, z.B. für das globuläre Protein, und als Wolkenkondensationskeime in der Atmosphärenchemie und Physik. Auch im interstellaren Raum ist eingeschränktes Wasser in Form von Eispartikeln anzutreffen. Die Kristallisation von eingeschränktem Wasser zu verstehen und zu beeinflussen ist letztlich auch für die Haltbarkeit von Baumaterialien wie etwa Zement von großem Interesse.rnUm dies zu untersuchen wird Wasser in der Regel stark abgekühlt und das Kristallisationsverhalten in Abhängigkeit des Volumens untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass Mikro- bzw. Nanometer große Volumina erst ab -38 °C bzw. -70 °C kristallisieren. Wasser unterliegt dabei in der Regel dem Prozess der homogenen Nukleation. In der Regel gefriert Wasser aber bei höheren Temperaturen, da durch Verunreinigungen eine vorzeitige, heterogene Nukleation eintritt.rnDie vorliegende Arbeit untersucht die sachdienlichen Phasendiagramme von kristallisierbaren Polymeren und Wasser unter räumlich eingeschränkten Bedingungen. Selbst ausgerichtetes Aluminiumoxid (AAO) mit Porengrößen im Bereich von 25 bis 400 nm wurden als räumliche Einschränkung sowohl für Polymere als auch für Wasser gewählt. Die AAO Nanoporen sind zylindrisch und parallel ausgerichtet. Außerdem besitzen sie eine gleichmäßige Porenlänge und einen gleichmäßigen Durchmesser. Daher eignen sie sich als Modelsystem um Kristallisationsprozesse unter wohldefinierter räumlicher Einschränkung zu untersuchen.rnEs wurden verschiedene halbkristalline Polymere verwendet, darunter Poly(ethylenoxid), Poly(ɛ-Caprolacton) und Diblockcopolymere aus PEO-b-PCL. Der Einfluss der Porengröße auf die Nukleation wurde aus verschiedenen Gesichtspunkten untersucht: (i) Einfluss auf den Nukleationmechanismus (heterogene gegenüber homogener Nukleation), (ii) Kristallorientierung und Kristallinitätsgrad und (iii) Zusammenhang zwischen Kristallisationstemperatur bei homogener Kristallisation und Glasübergangstemperatur.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Polymeren in Bulk durch heterogene Nukleation induziert wird und das die Kristallisation in kleinen Poren hauptsächlich über homogene Nukleation mit reduzierter und einstellbarer Kristallinität verläuft und eine hohe Kristallorientierung aufweist. Durch die AAOs konnte außerdem die kritische Keimgröße für die Kristallisation der Polymere abgeschätzt werden. Schließlich wurde der Einfluss der Polydispersität, von Oligomeren und anderen Zusatzstoffen auf den Nukleationsmechanismus untersucht.rn4rnDie Nukleation von Eis wurde in den selben AAOs untersucht und ein direkter Zusammenhang zwischen dem Nukleationstyp (heterogen bzw. homogen) und der gebildeten Eisphase konnte beobachtet werden. In größeren Poren verlief die Nukleation heterogen, wohingegen sie in kleineren Poren homogen verlief. Außerdem wurde eine Phasenumwandlung des Eises beobachtet. In den größeren Poren wurde hexagonales Eis nachgewiesen und unter einer Porengröße von 35 nm trat hauptsächlich kubisches Eis auf. Nennenswerter Weise handelte es sich bei dem kubischem Eis nicht um eine metastabile sondern eine stabile Phase. Abschließend wird ein Phasendiagramm für räumlich eingeschränktes Wasser vorgeschlagen. Dieses Phasendiagramm kann für technische Anwendungen von Bedeutung sein, so z.B. für Baumaterial wie Zement. Als weiteres Beispiel könnten AAOs, die die heterogene Nukleation unterdrücken (Porendurchmesser ≤ 35 nm) als Filter für Reinstwasser zum Einsatz kommen.rnNun zur Anfangs gestellten Frage: Wie unterschiedlich sind Wasser und Polymerkristallisation voneinander unter räumlicher Einschränkung? Durch Vergleich der beiden Phasendiagramme kommen wir zu dem Schluss, dass beide nicht fundamental verschieden sind. Dies ist zunächst verwunderlich, da Wasser ein kleines Molekül ist und wesentlich kleiner als die kleinste Porengröße ist. Wasser verfügt allerdings über starke Wasserstoffbrückenbindungen und verhält sich daher wie ein Polymer. Daher auch der Name „Polywasser“.

Paul–Straubel–Kingdon trap for true zero-point confinement of an individual ion and reservoir

A modification of the Paul–Straubel trap previously described by us may profitably be operated in a Paul–Straubel–Kingdon (PSK) mode during the initial loading of an individual ion into the trap. Thereby the coating of the trap ring electrode by the atomic beam directed upon it in earlier experiments is eliminated, as is the ionization of an already trapped ion. Coating created serious problems as it spot-wise changed the work function of the ring electrode, which caused large, uncontrolled dc fields in the trap center that prevented zero-point confinement. Operating the Paul–Straubel trap with a small negative bias on the ring electrode wire is all that is required to realize the PSK mode. In this mode the tiny ring trap in the center of the long, straight wire section is surrounded by a second trapping well shaped like a long, thin-walled cylindrical shell and extending to the end-caps. There, ions may be conveniently created in this well without danger of coating the ring with barium. In addition, the long second well is useful as a multi-ion reservoir.

A quasi stationary approach to drying kinetics of cylindrical food particulates in a heat pump asisted fluid bed dryer

Experiments were undertaken to study drying kinetics of moist cylindrical shaped food particulates during fluidised bed drying. Cylindrical particles were prepared from Green beans with three different length:diameter ratios, 3:1, 2:1 and 1:1. A batch fluidised bed dryer connected to a heat pump system was used for the experimentation. A Heat pump and fluid bed combination was used to increase overall energy efficiency and achieve higher drying rates. Drying kinetics, were evaluated with non-dimensional moisture at three different drying temperatures of 30, 40 and 50o C. Numerous mathematical models can be used to calculate drying kinetics ranging from analytical models with simplified assumptions to empirical models built by regression using experimental data. Empirical models are commonly used for various food materials due to their simpler approach. However problems in accuracy, limits the applications of empirical models. Some limitations of empirical models could be reduced by using semi-empirical models based on heat and mass transfer of the drying operation. One such method is the quasi-stationary approach. In this study, a modified quasi-stationary approach was used to model drying kinetics of the cylindrical food particles at three drying temperatures.

Defining the flammability of cylindrical metal rods through characterization of the thermal effects of the ignition promoter

All relevant international standards for determining if a metallic rod is flammable in oxygen utilize some form of “promoted ignition” test. In this test, for a given pressure, an overwhelming ignition source is coupled to the end of the test sample and the designation flammable or nonflammable is based upon the amount burned, that is, a burn criteria. It is documented that (1) the initial temperature of the test sample affects the burning of the test sample both (a) in regards to the pressure at which the sample will support burning (threshold pressure) and (b) the rate at which the sample is melted (regression rate of the melting interface); and, (2) the igniter used affects the test sample by heating it adjacent to the igniter as ignition occurs. Together, these facts make it necessary to ensure, if a metallic material is to be considered flammable at the conditions tested, that the burn criteria will exclude any region of the test sample that may have undergone preheating during the ignition process. A two-dimensional theoretical model was developed to describe the transient heat transfer occurring and resultant temperatures produced within this system. Several metals (copper, aluminum, iron, and stainless steel) and ignition promoters (magnesium, aluminum, and Pyrofuze®) were evaluated for a range of oxygen pressures between 0.69 MPa (100 psia) and 34.5 MPa (5,000 psia). A MATLAB® program was utilized to solve the developed model that was validated against (1) a published solution for a similar system and (2) against experimental data obtained during actual tests at the National Aeronautics and Space Administration White Sands Test Facility. The validated model successfully predicts temperatures within the test samples with agreement between model and experiment increasing as test pressure increases and/or distance from the promoter increases. Oxygen pressure and test sample thermal diffusivity were shown to have the largest effect on the results. In all cases evaluated, there is no significant preheating (above about 38°C/100°F) occurring at distances greater than 30 mm (1.18 in.) during the time the ignition source is attached to the test sample. This validates a distance of 30 mm (1.18 in.) above the ignition promoter as a burn length upon which a definition of flammable can be based for inclusion in relevant international standards (that is, burning past this length will always be independent of the ignition event for the ignition promoters considered here. KEYWORDS: promoted ignition, metal combustion, heat conduction, thin fin, promoted combustion, burn length, burn criteria, flammability, igniter effects, heat affected zone.

The rate-limiting mechanism for the heterogeneous burning of cylindrical iron rods

This paper presents the findings of an investigation into the rate-limiting mechanism for the heterogeneous burning in oxygen under normal gravity and microgravity of cylindrical iron rods. The original objective of the work was to determine why the observed melting rate for burning 3.2-mm diameter iron rods is significantly higher in microgravity than in normal gravity. This work, however, also provided fundamental insight into the rate-limiting mechanism for heterogeneous burning. The paper includes a summary of normal-gravity and microgravity experimental results, heat transfer analysis and post-test microanalysis of quenched samples. These results are then used to show that heat transfer across the solid/liquid interface is the rate-limiting mechanism for melting and burning, limited by the interfacial surface area between the molten drop and solid rod. In normal gravity, the work improves the understanding of trends reported during standard flammability testing for metallic materials, such as variations in melting rates between test specimens with the same cross-sectional area but different crosssectional shape. The work also provides insight into the effects of configuration and orientation, leading to an improved application of standard test results in the design of oxygen system components. For microgravity applications, the work enables the development of improved methods for lower cost metallic material flammability testing programs. In these ways, the work provides fundamental insight into the heterogeneous burning process and contributes to improved fire safety for oxygen systems in applications involving both normal-gravity and microgravity environments.