Branching points in the low-temperature dipolar hard sphere fluid

In this contribution, we investigate the low-temperature, low-density behaviour of dipolar hard-sphere (DHS) particles, i.e., hard spheres with dipoles embedded in their centre. We aim at describing the DHS fluid in terms of a network of chains and rings (the fundamental clusters) held together by branching points (defects) of different nature. We first introduce a systematic way of classifying inter-cluster connections according to their topology, and then employ this classification to analyse the geometric and thermodynamic properties of each class of defects, as extracted from state-of-the-art equilibrium Monte Carlo simulations. By computing the average density and energetic cost of each defect class, we find that the relevant contribution to inter-cluster interactions is indeed provided by (rare) three-way junctions and by four-way junctions arising from parallel or anti-parallel locally linear aggregates. All other (numerous) defects are either intra-cluster or associated to low cluster-cluster interaction energies, suggesting that these defects do not play a significant part in the thermodynamic description of the self-assembly processes of dipolar hard spheres. (C) 2013 AIP Publishing LLC.

Local size segregation in polydisperse hard sphere fluids

The structure of polydisperse hard sphere fluids, in the presence of a wall, is studied by the Rosenfeld density functional theory. Within this approach, the local excess free energy depends on only four combinations of the full set of density fields. The case of continuous polydispersity thereby becomes tractable. We predict, generically, an oscillatory size segregation close to the wall, and connect this, by a perturbation theory for narrow distributions, with the reversible work for changing the size of one particle in a monodisperse reference fluid.

Density functional theory analysis of the influence of pore wall heterogeneity on adsorption in carbons

Density functional theory for adsorption in carbons is adapted here to incorporate a random distribution of pore wall thickness in the solid, and it is shown that the mean pore wall thickness is intimately related to the pore size distribution characteristics. For typical carbons the pore walls are estimated to comprise only about two graphene layers, and application of the modified density functional theory approach shows that the commonly used assumption of infinitely thick walls can severely affect the results for adsorption in small pores under both supercritical and subcritical conditions. Under supercritical conditions the Henry's law coefficient is overpredicted by as much as a factor of 2, while under subcritical conditions pore wall heterogeneity appears to modify transitions in small pores into a sequence of smaller ones corresponding to pores with different wall thicknesses. The results suggest the need to improve current pore size distrubution analysis methods to allow for pore wall heterogeneity. The density functional theory is further extended here to allow for interpore adsorbate interactions, and it appears that these interaction are negligible for small molecules such as nitrogen but significant for more strongly interacting heavier molecules such as butane, for which the traditional independent pore model may not be adequate.

Nonmonotonic Magnetic Susceptibility of Dipolar Hard-Spheres at Low Temperature and Density

We investigate, via numerical simulations, mean field, and density functional theories, the magnetic response of a dipolar hard sphere fluid at low temperatures and densities, in the region of strong association. The proposed parameter-free theory is able to capture both the density and temperature dependence of the ring-chain equilibrium and the contribution to the susceptibility of a chain of generic length. The theory predicts a nonmonotonic temperature dependence of the initial (zero field) magnetic susceptibility, arising from the competition between magnetically inert particle rings and magnetically active chains. Monte Carlo simulation results closely agree with the theoretical findings. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.148306

Effective isotropic potential for dipolar hard spheres

A new effective isotropic potential is proposed for the dipolar hard-sphere fluid, on the basis of recent results by others for its angle-averaged radial distribution function. The new effective potential is shown to exhibit oscillations even for moderately high densities and moderately strong dipole moments, which are absent from earlier effective isotropic potentials. The validity and significance of this result are briefly discussed.

On modified simple reacting spheres kinetic model for chemically reactive gases

Versão dos autores para esta publicação.

PREDICTING DIFFUSIVITIES IN DENSE FLUIDS

In this work the Weeks-Chandler-Andersen (WCA) perturbation theory coupled with the Enskog’s solution of the Boltzmann equation for dense hard-sphere fluids is employed for estimating diffusion coefficients in compressed pure liquids and fluids and dense fluid mixtures. The effect of density correction on the estimation of diffusivities is analyzed using the Carnahan-Starling pair correlation function and the correlation of Speedy and Harris which have been proposed as models of self-diffusion coefficient of hard-sphere fluids. The approach presented here is based on the smooth hard-sphere theory without any binary adjustable parameters and can be readily used for estimating diffusivities in multicomponent fluid mixtures. It is shown that the correlated and the predicted diffusivities are in good agreement with the experimental data and much better than estimates of Wilke-Chang equation.

Structure and anomalous solubility for hard spheres in an associating lattice gas model

In this paper we investigate the solubility of a hard-sphere gas in a solvent modeled as an associating lattice gas. The solution phase diagram for solute at 5% is compared with the phase diagram of the original solute free model. Model properties are investigated both through Monte Carlo simulations and a cluster approximation. The model solubility is computed via simulations and is shown to exhibit a minimum as a function of temperature. The line of minimum solubility (TmS) coincides with the line of maximum density (TMD) for different solvent chemical potentials, in accordance with the literature on continuous realistic models and on the "cavity" picture. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4743635]

Sphärische Bürsten in polymeren Schmelzen

Colloidal nanoparticles are additives to improve or modify several properties of thermoplastic or elastic polymers. Usually colloid-polymer mixtures show phase separation due to the depletion effect. The strategy to overcome this depletion demixing was to prepare surface-modified colloidal particles, which can be blended with linear polymer chains homogeneous. A successful synthesis strategy for the preparation of hairy nanospheres was developed by grafting polystyrene macromonomer chains onto polyorganosiloxane microgels. The number of hairs per particle with a core radius of approximately 10nm exceeded 150 hairs in all cases. The molecular weight of the hairs variied between 4000-18000g/mol.The compatibility of these hairy spheres mixed with linear polymer chains was investigated by AFM, TEM and SAXS. Homogeneous mixtures were found if the molecular weight of the polymer hairs on the particle surface is at least as large as the molecular weight of the matrix chains. If the chains are much shorter than the hairs, the colloidal hair corona is strongly swollen by the matrix polymer, leading to a long-range soft interparticle repulsion ('wet brush'). If hairs and chains are comparable in length, the corona shows much less volume swelling, leading to a short-range repulsive potential similar to hard sphere systems ('dry brush'). Polymerketten und Kolloidpartikel entmischen aufgrund von Depletion-Wechselwirkungen. Diese entropisch bedingte Entmischung konnte durch das Ankoppeln von Polymerhaaren verschiedenen Molekulargewichts auf die Kugeloberflächen der Kolloide bis zu hohen Konzentrationen vermieden werden. Zur Darstellung sphärischer Bürsten und haariger Tracerpartikel wurde eine neue Synthesestrategie ausgearbeitet und erfolgreich umgesetzt.Das Kompatibilitätsverhalten dieser sphärischen Bürsten in der Schmelze von Polymerketten als Matrix wurde mittels Elektronenmikroskopie und Kleinwinkelröntgenstreuung untersucht. Die Mischungen setzten sich aus sphärischen Bürsten und Matrixketten mit unterschiedlichen Molekulargewichten zusammen.Es zeigte sich, daß die Mischbarkeit entschieden durch das Verhältnis von Haarlänge zu Länge der Matrixketten beeinflußt wird.Aus den Untersuchungen des Relaxationsverhaltens mittels Rheologie und SAXS ergibt sich, daß das Konzept der 'dry brush'- und 'wet brush'-Systeme auf diese Mischungen übertragbar ist. Die Volumenquellung der Haarcorona durch die Matrixketten ist, wie die Experimente gezeigt haben, bereits im Fall von Polymeren mit relativ niedrigen Molekulargewichten zu beobachten. Sie ist umso stärker ausgeprägt, je größer das Längenverhältnis zwischen Polymerhaaren und Matrixketten ist. Die Quellung bedeutet eine Vergrößerung des effektiven Radius der Partikel und entspricht somit einer Erhöhung des effektiven Volumenbruchs. Dies führt zur Ausbildung einer höheren Ordnung und zu einem Einfrieren der Relaxation dieser strukturellen Ordnung führt.

Physikalische Eigenschaften kolloidaler Festkörper

In dieser Arbeit wird das Phasenverhalten fluid-kristallin und kristallin-amorph, die elastischen Eigenschaften, das Nukleationsverhalten und das diffusive Verhalten ladungsstabilisierter Kolloide aus sphärischen Polystyrol- und Polytetrafluorethylenpartikeln in wässerigen Dispersionsmitteln bei sehr geringem Fremdionengehalt systematisch untersucht. Die dazugehörigen Messungen werden an einer neuartigen selbstkonstruierten Kombinationslichtstreuapparatur durchgeführt, die die Meßmethoden der dynamischen Lichtstreuung, statischen Lichtstreuung und Torsionsresonanzspektroskopie in sich vereint. Die drei Meßmethoden sind optimal auf die Untersuchung kolloidaler Festkörper abgestimmt. Das elastische Verhalten der Festkörper kann sehr gut durch die Elastizitätstheorie atomarer Kristallsysteme beschrieben werden, wenn ein Debye-Hückel-Potential im Sinne des Poisson-Boltzmann-Cell Modells als Wechselwirkungspotential verwendet wird. Die ermittelten Phasengrenzen fluid-kristallin stehen erstmalig in guter Übereinstimmung mit Ergebnissen aus molekulardynamischen Simulationen, wenn die in der Torsionsresonanzspektroskopie bestimmte Wechselwirkungsenergie zu Grunde gelegt wird. Neben der Gleichgewichtsstruktur sind Aussagen zur Verfestigungskinetik möglich. Das gefundene Nukleationserhalten kann gut durch die klassische Nukleationstheorie beschrieben werden, wenn bei niedriger Unterkühlung der Schmelze ein Untergrund heterogener Keimung berücksichtigt wird. PTFE-Partikel zeigen auch bei hohen Konzentrationen nur geringfügige Mehrfachstreuung. Durch ihren Einsatz ist erstmals eine systematische Untersuchung des Glasübergangs in hochgeladenen ladungsstabilisierten Systemen möglich. Ladungsstabilisierte Kolloide unterscheiden sich vor allem durch ihre extreme Kristallisationstendenz von früher untersuchten Hartkugelsystemen. Bei hohen Partikelkonzentrationen (Volumenbrüche größer 10 Prozent) kann ein glasartiger Festkörper identifiziert werden, dessen physikalisches Verhalten die Existenz eines Bernalglases nahe legt. Der Glasübergang ist im Vergleich mit den in anderen kolloidalen Systemen und atomaren Systemen beobachteten Übergängen von sehr unterschiedlichem Charakter. Im verwendeten PTFE-System ist auf Grund der langreichweitigen stark repulsiven Wechselwirkung kein direkter Zugang des Glaszustandes aus der übersättigten Schmelze möglich. Der amorphe Festkörper entsteht hier aus einer nanokristallinen Phase. Die Keimrate steigt im zugänglichen Meßbereich annähernd exponentiell mit der Partikelanzahldichte, so daß man feststellen kann, daß der Glaszustand nicht durch Unterdrückung der Nukleation, sondern durch eine Forcierung derselben erreicht wird.

Untersuchungen zur Verfestigungskinetik in Suspensionen kolloidaler Partikel

Kolloidale Suspensionen, bei denen man die kolloidalen Teilchen als "Makroatome" in einem Kontinuum aus Lösungsmittelmolekülen auffaßt, stellen ein geeignetes Modellsystem zur Untersuchung von Verfestigungsvorgängen dar. Auf Grund der typischen beteiligten Längen- und Zeitskalen können Phasenübergänge bequem mit optischen Verfahren studiert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Kinetik der Kristallisation in drei kolloidalen Systemen unterschiedlicher Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung mit Lichtstreu- und mikroskopischen Methoden untersucht. Zur Untersuchung von Suspensionen aus sterisch stabilisierten PMMA-Teilchen, die in guter Näherung wie harte Kugeln wechselwirken, wurde ein neuartiges Laserlichtstreuexperiment aufgebaut, das die gleichzeitige Detektion von Bragg- und Kleinwinkelstreuung an einer Probe erlaubt. Damit konnte der zeitliche Verlauf der Kristallisation verfolgt sowie u.a. Nukleationsraten und erstmals auch Wachstumsgeschwindigkeiten bestimmt werden; diese wurden mit klassischer Nukleationstheorie sowie Wilson-Frenkel-Wachstum verglichen. In beiden Fällen konnte sehr gute Übereinstimmung mit der Theorie festgestellt werden. In Systemen geladener Partikel wurden mit Bragg-Mikroskopie die Wachstumsgeschwindigkeiten heterogener, an der Wand der Probenzelle aufwachsender Kristalle untersucht. Die Anpassung eines Wilson-Frenkel-Wachstumsgesetzes gelingt auch hier, wenn man die dazu eingeführte reskalierte Energiedichte auf den Schmelzpunkt bezieht. Geeignete Reskalierung der Daten erlaubt den Vergleich mit den Hartkugelsystemen. Zum ersten Mal wurde die Kristallisationskinetik in zwei verschiedenen kolloidalen binären Mischungen bestimmt und ausgewertet: In Beimischungen einer nichtkristallisierenden Teilchensorte zu einer kristallisierenden Suspension konnten die Daten mit einem modifizierten Wilson-Frenkel-Gesetz beschrieben werden, während in Mischungen aus zwei kristallisierenden Partikelsystemen eine unerwartet hohe Abnahme der Wachstumsgeschwindigkeiten beobachtet wurde. Kolloidale Suspensionen hartkugelähnlicher Mikrogel-Partikel konnten mit Hilfe des Lichtstreuaufbaues ebenfalls zum ersten Mal untersucht werden. Es wurde eine ähnliche Kristallisationskinetik wie in den PMMA-Systemen gefunden, jedoch auch einige wichtige Unterschiede, die insbesondere den Streumechanismus im Kleinwinkelbereich betrafen. Hier wurden verschiedene Interpretationsvorschläge diskutiert.