Crystal phases and glassy dynamics in monodisperse hard ellipsoids

We have performed Monte Carlo and molecular dynamics simulations of suspensions of monodisperse, hard ellipsoids of revolution. Hard-particle models play a key role in statistical mechanics. They are conceptually and computationally simple, and they offer insight into systems in which particle shape is important, including atomic, molecular, colloidal, and granular systems. In the high density phase diagram of prolate hard ellipsoids we have found a new crystal, which is more stable than the stretched FCC structure proposed previously . The new phase, SM2, has a simple monoclinic unit cell containing a basis of two ellipsoids with unequal orientations. The angle of inclination is very soft for length-to-width (aspect) ratio l/w=3, while the other angles are not. A symmetric state of the unit cell exists, related to the densest-known packings of ellipsoids; it is not always the stable one. Our results remove the stretched FCC structure for aspect ratio l/w=3 from the phase diagram of hard, uni-axial ellipsoids. We provide evidence that this holds between aspect ratios 3 and 6, and possibly beyond. Finally, ellipsoids in SM2 at l/w=1.55 exhibit end-over-end flipping, warranting studies of the cross-over to where this dynamics is not possible. Secondly, we studied the dynamics of nearly spherical ellipsoids. In equilibrium, they show a first-order transition from an isotropic phase to a rotator phase, where positions are crystalline but orientations are free. When over-compressing the isotropic phase into the rotator regime, we observed super-Arrhenius slowing down of diffusion and relaxation, and signatures of the cage effect. These features of glassy dynamics are sufficiently strong that asymptotic scaling laws of the Mode-Coupling Theory of the glass transition (MCT) could be tested, and were found to apply. We found strong coupling of positional and orientational degrees of freedom, leading to a common value for the MCT glass-transition volume fraction. Flipping modes were not slowed down significantly. We demonstrated that the results are independent of simulation method, as predicted by MCT. Further, we determined that even intra-cage motion is cooperative. We confirmed the presence of dynamical heterogeneities associated with the cage effect. The transit between cages was seen to occur on short time scales, compared to the time spent in cages; but the transit was shown not to involve displacements distinguishable in character from intra-cage motion. The presence of glassy dynamics was predicted by molecular MCT (MMCT). However, as MMCT disregards crystallization, a test by simulation was required. Glassy dynamics is unusual in monodisperse systems. Crystallization typically intervenes unless polydispersity, network-forming bonds or other asymmetries are introduced. We argue that particle anisometry acts as a sufficient source of disorder to prevent crystallization. This sheds new light on the question of which ingredients are required for glass formation.

A mesoscopic simulation method for electrolyte solutions

This thesis deals with the development of a novel simulation technique for macromolecules in electrolyte solutions, with the aim of a performance improvement over current molecular-dynamics based simulation methods. In solutions containing charged macromolecules and salt ions, it is the complex interplay of electrostatic interactions and hydrodynamics that determines the equilibrium and non-equilibrium behavior. However, the treatment of the solvent and dissolved ions makes up the major part of the computational effort. Thus an efficient modeling of both components is essential for the performance of a method. With the novel method we approach the solvent in a coarse-grained fashion and replace the explicit-ion description by a dynamic mean-field treatment. Hence we combine particle- and field-based descriptions in a hybrid method and thereby effectively solve the electrokinetic equations. The developed algorithm is tested extensively in terms of accuracy and performance, and suitable parameter sets are determined. As a first application we study charged polymer solutions (polyelectrolytes) in shear flow with focus on their viscoelastic properties. Here we also include semidilute solutions, which are computationally demanding. Secondly we study the electro-osmotic flow on superhydrophobic surfaces, where we perform a detailed comparison to theoretical predictions.

Experimentelle Untersuchung von Phasenübergängen im kolloidalen Modellsystem harter Kugeln

Die vorliegende Arbeit behandelt den fluid-kristallinen Phasenübergang sowie den Glasübergang anhand von kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen. Die Untersuchungen erfolgen dabei im Wesentlichen mit unterschiedlichen Lichtstreumethoden und daher im reziproken Raum. rnDie Analyse der Kristallisationskinetik zeigt, dass es bei der Kristallisation zu signifikanten Abweichungen vom Bild der klassischen Nukleationstheorie (CNT) kommt. Diese geht von einem einstufigen Nukleationsprozess aus, wohingegen bei den hier durchgeführten Experimenten ein mehrstufiger Prozess beobachtet wird. Vor der eigentlichen Kristallisation kommt es zunächst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase, sogenannter Precursor. In einer zweiten Stufe erfolgt innerhalb der Precursor die eigentliche Nukleation der Kristallite. rnDurch weitere Analyse und den Vergleich des Kristallisations- und Verglasungsszenarios konnte das Konzept der Precursornukleation auf den Vorgang der Verglasung erweitert werden. Während die Kristallnukleation oberhalb des Glasübergangspunktes zum Erliegen kommt, bleibt der Prozess der Precursornukleation auch bei verglasenden Proben erhalten. Ein Glas erstarrt somit in einem amorphen Zustand mit lokalen Precursorstrukturen. Die Korrelation der gemessenen zeitlichen Entwicklung der strukturellen sowie der dynamischen Eigenschaften zeigt darüber hinaus, dass das bisher unverstandene Ageing-Phänomen von HK-Gläsern mit der Nukleation von Precursorn zusammenhängt.rnEin solches mehrstufiges Szenario wurde bereits in früheren Veröffentlichungen beobachtet. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen ermöglichten erstmals die Bestimmung von Kristallnukleationsratendichten (Kristall-NRD) und Ratendichten für die Precursornukleation bis über den Glasübergangspunkt hinaus. Die Kristall-NRD bestätigen die Resultate aus anderen experimentellen Arbeiten. Die weiteren Analysen der Kristall-NRD belegen, dass die fluid-kristalline Grenzflächenspannung bei der Nukleation entgegen den Annahmen der CNT nicht konstant ist, sondern mit ansteigendem Volumenbruch linear zunimmt. Die Erweiterung der CNT um eine linear zunehmende Grenzflächenspannung ermöglichte eine quantitative Beschreibung der gemessenen Kristall- sowie der Precursor-NRD, was den Schluss zulässt, dass es sich in beiden Fällen um einen Boltzmann-aktivierten Prozess handelt. rnUm die beobachteten Abweichungen des Nukleationsprozesses vom Bild der CNT näher zu untersuchen, wurden die kollektiven Partikeldynamiken in stabilen Fluiden und metastabilen Schmelzen analysiert. Im klassischen Bild wird angenommen, dass die kollektive Partikeldynamik beim Vorgang der Nukleation keine Rolle spielt. Anhand der Resultate zeigen sich Abweichungen in der Dynamik stabiler Fluide und metastabiler Schmelzen. Während die kollektive Partikeldynamik in der stabilen Schmelze von der Struktur entkoppelt ist, tritt oberhalb des Phasenübergangspunktes eine Kopplung von Struktur und Dynamik auf. Dabei treten die Abweichungen zunächst in der Umgebung des ersten Strukturfaktormaximums und somit bei den am stärksten besetzten Moden auf. Mit steigender Unterkühlung nehmen die Anzahl der abweichenden Moden sowie die Stärke der Abweichungen zu. Dieses Phänomen könnte einen signifikanten Einfluss auf den Nukleationsprozess und somit auf die Kristallisationskinetik haben. Die Analyse der Dynamik im stabilen Fluid zeigt darüber hinaus Hinweise auf eine Singularität bei Annäherung an den fluid-kristallinen Phasenübergangspunkt.rnDes Weiteren wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals Ratendichten für die heterogene Nukleation eines HK-Systems an einer flachen Wand mittels statischer Lichtstreuung (SLS) bestimmt. Die Ergebnisse der Messung zeigen, dass die Nukleationsbarriere der heterogenen Nukleation annähernd Null ist und folglich eine vollständige Benetzung der Wand mit einer kristallinen Monolage vorliegt. Die Erweiterung der Untersuchungen auf gekrümmte Oberflächen in Form von sphärischen Partikeln (Seeds) stellt die erste experimentelle Arbeit dar, die den Einfluss eines Ensembles von Seeds auf die Kristallisationskinetik in HK-Systemen untersucht. Die Kristallisationskinetik und die Mikrostruktur werden abhängig von Größe und Anzahldichte der Seed-Partikel signifikant beeinflusst. In Übereinstimmung mit konfokalmikroskopischen Experimenten und Simulationen spielt dabei das Radienverhältnis der Majoritäts- zur Minoritätskomponente eine entscheidende Rolle.

Konfokalmikroskopie an stabilen und metastabilen kolloidalen Hartkugel-Fluiden : interne Struktur, Kristallnukleation und Kristallwachstum

Die vorliegende Forschungsarbeit behandelt konfokalmikroskopische Untersuchungen zur Strukturbildung in kolloidalen Suspensionen, die als experimentelles Modellsystem für harte Kugeln verwendet werden. Die lokale und globale Struktur wurde im stabilen und metastabilen Fluid bestimmt. Bereits unterhalb des Gefriervolumenbruchs wurden nah-geordnete Cluster vorgefunden, die mit zunehmendem Volumenbruch häufiger und größer werden. Das Kristallwachstum aus der metastabilen kolloidalen Schmelze konnte quantitativ analysiert werden und es zeigt sich eine Übereinstimmung mehrerer Kenngrößen mit Literaturdaten nahe dem Schmelzvolumenbruch. Die Untersuchung demonstrierte die Realisierbarkeit der quantitativen Analyse der Kristallisationskinetik mittels konfokaler Mikroskopie. Es zeigte sich ein mehrstufiges Nukleationsszenario bei dem zuerst nah-geordnete Cluster gebildet werden, die im weiteren Verlauf zu kristall-artigen Clustern transformieren. Die Beobachtungen belegen den Mechanismus der Precursornukleation in Hartkugelsystemen. Die heterogene Nukleation wurde an glatten und an hexagonal strukturierten Substraten untersucht. Anhand der Kristallisationskinetik und der direkten Messung der Benetzungswinkel konnte ein Übergang des Benetzungsverhaltens unter Variation des Substratgitterabstands nachgewiesen werden: An glatten und an kommensurabel strukturierten Substraten zeigten sich eine vollständige Bedeckung des Substrats mit der kristallinen Phase und ein sofortiges unidirektionales Wachstum. Bei inkommensurabel strukturierten Substraten wurde eine unvollständige Bedeckung des strukturierten Substrats mit der kristallinen Phase sowie ein verzögertes isotropes Wachstum bei fortwährender Kristallnukleation beobachtet.

Sphärische Blockcopolymer Mizellen in Homopolymerschmelze als weiche Modellkolloide

Zusammenfassung: Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Dynamik in Blockcopolymer-Homopolymerblends mit sphärischen Mikrophasen untersucht.Anhand eines PI-PS-Blockcopolymers in drei verschiedenen PI-Homopolymeren wurde der Einfluss des Molekulargewichts des Homopolymers betrachtet. Die Ergebnisse aus Forcierter Rayleigh Streuung (Diffusion) und Rheologie (Relaxation) zeigen, dass sich die PS-PI-Mizellen in allen drei Homopolymeren kolloid-ähnlich verhalten. Die Analyse nach der Theorie des freien Volumens ergab, dass es sich bei den Mizellen um weiche Partikel handelt, deren Größe und Deformierbarkeit mit sinkendem Matrix-Molekulargewicht zunimmt.Der Einfluss des Blocklängenverhältnisses wurde an zwei PB-PS- Blockcopolymeren mit unterschiedlich langen PS-Blöcken (Kern) untersucht. Diese unterschieden sich jedoch in ihrem dynamischen Verhalten nicht maßgeblich. Es wurde jedoch ein deutlicher Unterschied zum PI-PS- System (s.o.) gefunden. Der zuvor gefundene Partikelcharakter wird für die PB-PS-Copolymere nicht mehr beobachtet. Dies wird auf den im Vergleich zum PI-PS-Copolymer deutlich längeren Coronablock zurückgeführt.

Valorizzazione di molecole da materie prime rinnovabili: la trasformazione del 2,5-diidrossimetilfurano con catalisi acida

The present work is part of a larger project aimed at obtaining compounds of industrial interest from renewable sources. The work is particularly aimed to investigate the reactivity of 2,5-bis-hydroxymethylfuran (BHMF), an important building block of organic nature easily obtainable from biomass, with acid catalysis. Through the study of the reactivity of BHMF in water, in the presence of an heterogeneous acid catalyst (Amberlyst 15), has been developed a new synthetic method for the preparation of α-6-hydroxy-6-methyl-4-enyl-2H-pyran-3-one a derivative whose molecular skeleton is similar to that of natural products which are used in pharmaceutical chemistry. The product is obtained in milder conditions and with better selectivity with respect to the strongly oxidizing conditions with which it is prepared in the literature starting from different precursors containing furan ring.

Valutazione economica e funzionale dell'applicazione di un motore asincrono e di un motore coppia ad un estrusore di materie plastiche

Il concetto di “direct drive”, cioè l’applicazione diretta del motore all’utilizzatore, in modo da eliminare elementi di connessione intermedi (riduttori, pulegge, ecc…) con il vantaggio di migliorare il rendimento, ridurre gli ingombri, semplificare l’intera struttura, ridurre la manutenzione, è applicato con sempre maggior frequenza. L’azienda Graham Packaging Company Italia s.r.l. produce macchinari industriali per la produzione di packaging plastico, i quali montano un gruppo di estrusione a monte della macchina che alimenta il gruppo di soffiaggio: si possono, quindi, intuire alcuni vantaggi derivanti dall’applicazione del “direct drive”. Nella soluzione attualmente adottata dall’azienda la vite di estrusione, che gira a velocità relativamente basse, è collegata tramite un riduttore ad un motore asincrono trifase, che ruota a velocità significativamente superiori. L’ipotesi di una soluzione differente prevederebbe l’accoppiamento della vite ad un motore coppia (torque motor) caratterizzato da una elevata coppia e giri relativamente bassi. I vantaggi di tale accoppiamento sarebbero fondamentalmente il risparmio energetico derivante dall’esclusione del riduttore dal meccanismo e la maggiore facilità di regolazione della velocità e di conseguenza anche della portata dell’estrusore. La tesi ha lo scopo di analizzare nel particolare l’attuale situazione dal punto di vista del consumo energetico delle 11 taglie di estrusori, di valutare una soluzione con motore coppia consultando diversi fornitori di motori, di comparare le due varianti dal punto di vista dell’efficienza e dei vantaggi economici.

Caratterizzazione avanzata in laboratorio di materie prime secondarie rigenerate o stabilizzate con emulsione di bitume e leganti cementizi

Il recupero dei materiali di scarto è un aspetto di grande attualità in campo stradale, così come negli altri ambiti dell’ingegneria civile. L’attenzione della ricerca e degli esperti del settore è rivolta all’affinamento di tecniche di riciclaggio che riducano l’impatto ambientale senza compromettere le prestazioni meccaniche finali. Tali indagini cercano di far corrispondere le necessità di smaltimento dei rifiuti con quelle dell’industria infrastrutturale, legate al reperimento di materiali da costruzione tecnicamente idonei ed economicamente vantaggiosi. Attualmente sono già diversi i tipi di prodotti rigenerati e riutilizzati nella realizzazione delle pavimentazioni stradali e numerosi sono anche quelli di nuova introduzione in fase di sperimentazione. In particolare, accanto ai materiali derivanti dalle operazioni di recupero della rete viaria, è opportuno considerare anche quelli provenienti dall’esercizio delle attività di trasporto, il quale comporta ogni anno il raggiungimento della fine della vita utile per centinaia di migliaia di tonnellate di pneumatici di gomma. L’obiettivo della presente analisi sperimentale è quello di fornire indicazioni e informazioni in merito alla tecnica di riciclaggio a freddo con emulsione bituminosa e cemento, valutando la possibilità di applicazione di tale metodologia in combinazione con il polverino di gomma, ottenuto dal recupero degli pneumatici fuori uso (PFU). La ricerca si distingue per una duplice valenza: la prima è quella di promuovere ulteriormente la tecnica di riciclaggio a freddo, che si sta imponendo per i suoi numerosi vantaggi economici ed ambientali, legati soprattutto alla temperatura d’esercizio; la seconda è quella di sperimentare l’utilizzo del polverino di gomma, nelle due forme di granulazione tradizionale e criogenica, additivato a miscele costituite interamente da materiale proveniente da scarifica di pavimentazioni esistenti e stabilizzate con diverse percentuali di emulsione di bitume e di legante cementizio.

Il ruolo delle infrastrutture verdi nella riqualificazione del territorio. Realizzazioni di substrati alleggeriti sostenibili tramite l'utilizzo di materie prime secondarie.

Si indaga il ruolo delle tecnologie verdi all'interno del contesto urbano, in particolare gli effetti delle infrastrutture verdi sulla regimazione idrica e l'isola di calore. Si sono implementati substrati estensivi alleggeriti sostenibili tramite materie secondarie, che costituiscono un vantaggio economico e strutturale, oltre che di riciclo di scarti da filiere produttive, mantenendo intatta la crescita delle piante

EPR spectroscopy as a tool for the elucidation of non-covalent structuring principles in complex soft matter

This thesis aims at connecting structural and functional changes of complex soft matter systems due to external stimuli with non-covalent molecular interaction profiles. It addresses the problem of elucidating non-covalent forces as structuring principle of mainly polymer-based systems in solution. The structuring principles of a wide variety of complex soft matter types are analyzed. In many cases this is done by exploring conformational changes upon the exertion of external stimuli. The central question throughout this thesis is how a certain non-covalent interaction profile leads to solution condition-dependent structuring of a polymeric system.rnTo answer this question, electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is chosen as the main experimental method for the investigation of the structure principles of polymers. With EPR one detects only the local surroundings or environments of molecules that carry an unpaired electron. Non-covalent forces are normally effective on length scales of a few nanometers and below. Thus, EPR is excellently suited for their investigations. It allows for detection of interactions on length scales ranging from approx. 0.1 nm up to 10 nm. However, restriction to only one experimental technique likely leads to only incomplete pictures of complex systems. Therefore, the presented studies are frequently augmented with further experimental and computational methods in order to yield more comprehensive descriptions of the systems chosen for investigation.rnElectrostatic correlation effects in non-covalent interaction profiles as structuring principles in colloid-like ionic clusters and DNA condensation are investigated first. Building on this it is shown how electrostatic structuring principles can be combined with hydrophobic ones, at the example of host-guest interactions in so-called dendronized polymers (denpols).rnSubsequently, the focus is shifted from electrostatics in dendronized polymers to thermoresponsive alkylene oxide-based materials, whose structuring principles are based on hydrogen bonds and counteracting hydrophobic interactions. The collapse mechanism in dependence of hydrophilic-hydrophobic balance and topology of these polymers is elucidated. Complementarily the temperature-dependent phase behavior of elastin-like polypeptides (ELPs) is investigated. ELPs are the first (and so far only) class of compounds that is shown to feature a first-order inverse phase transition on nanoscopic length scales.rnFinally, this thesis addresses complex biological systems, namely intrinsically disordered proteins (IDPs). It is shown that the conformational space of the IDPs Osteopontin (OPN), a cytokine involved in metastasis of several kinds of cancer, and BASP1 (brain acid soluble protein one), a protein associated with neurite outgrowth, is governed by a subtle interplay between electrostatic forces, hydrophobic interaction, system entropy and hydrogen bonds. Such, IDPs can even sample cooperatively folded structures, which have so far only been associated with globular proteins.