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Nucleation and defect interactions in colloidal suspensions
Wolfgang Lechner
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Christoph Dellago
DOI
10.25365/thesis.4094
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29535.36047.307369-3
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Aspekten kolloidaler Systeme: dem Übergang von flüssig zu fest und der Wechselwirkung zwischen Defekten in kolloidalen Kristallen. Mit Hilfe von Monte-Carlo Simulationen habe ich die freie Energiebarriere im Gaussian-core Modell zwischen unterkühltem flüssigen und festem Zustand untersucht. Die klassische Nukleationstheorie sagt voraus, dass der Grund für diese Barriere darin liegt, dass sich zuerst ein fester Nukleationskern in der unterkühlten Flüssigkeit bilden muss und es erst dann zu einem spontanen Phasenübergang kommt, wenn dieser eine bestimmte kritische Grösse überschreitet. Weiters habe ich untersucht, ob Ostwalds Stufenregel für dieses Modell anwendbar ist. Dazu habe ich die strukturelle Zusammensetzung des Nukleationskeims bestimmt. Dabei zeigte sich, dass es sich bei hohem Druck tatsächlich um einen Übergang in zwei Schritten handelt. Zuerst bildet sich ein Nukleationskeim mit hexagonal dichtest gepackter Struktur. Sobald der Nukleationskeim eine bestimmt Grösse überschreitet formt sich der innere Teil des Nukleationskeims in einen kubisch-raumzentrierten Kristall um. Eine Voraussetzung der klassischen Nukleationstheorie ist, dass der Nukleationskeim ein sph\"arisches Objekt ist. Um dies zu untersuchen habe ich das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Nukleationskeims mit dem eines perfekt sphärischen Kristalles verglichen. Es zeigte sich, dass die in der Simulation vorkommenden Nukleationskeime eine viel rauere Oberfläche haben als perfekte sphärische Kristalle. Festkörper, die durch einfrieren entstehen, können Defekte enthalten. In dieser Arbeit habe ich Zwischengitterteilchen und Leerstellen in zwei Dimensionen untersucht. Das Verzerrungsfeld von Zwischengitterteilchen mit periodischen Randbedingungen kann sehr präzise mit den Gleichungen der linearen Elastizitätstheorie und Ewaldsummation beschrieben werden, zumindest für Abstände von mehr als 15 Gitterabständen. Für Leerstellen ist eine solche Beschreibung nicht möglich. Mit Monte-Carlo Simulationen habe ich die effektive Wechselwirkung zwischen den Defekten bestimmt. Diese ist ausschließlich anziehend, selbst für Defekte der selben Sorte. Die Anziehungskraft von Leerstellen ist um einen Faktor 2 größer als die von Interstitials. Die effektive Wechselwirkung zwischen einem Defektpaar und einem weiteren Defekt der selben Sorte ist ebenfalls stark attraktiv. Die minimale frei Energie erreicht das System jedoch nicht durch Bildung eines kompakten Clusters, sondern einer Defektkette. An beiden Enden dieser Ketten befindet sich jeweils ein Versetzungsdefekt. Diese Defekte können als zwei dimensionales Analogon zu sogenannten "prismatic dislocation loops" in drei Dimensionen gesehen werden.
Abstract
(Englisch)
This thesis deals with two aspects of colloids, the liquid-solid transition and the interaction between defects in colloidal crystals. Using Monte Carlo simulations I investigated the free energy barrier that separates the undercooled liquid phase from the solid phase in the Gaussian-core model. Classical nucleation theory postulates that this barrier is due to the formation energy required to form a solid nucleus in an otherwise liquid environment. Only when this nucleus exceeds a certain critical size, the system freezes spontaneously. I also studied the applicability of Ostwald's step rule in this transition. The results from the analysis of the structural composition the critical nucleus suggest that in the high pressure regime the freezing can indeed be viewed as a two-step procedure. First, a HCP cluster forms in the undercooled liquid. When this cluster surmounts a certain threshold the core of the cluster transforms into a BCC-like structure. The surface to volume ratio of the clusters indicates that nucleus is not of spherical shape, as postulated by classical elasticity theory, but rather have a rough surface. The final solid usually contains defects. In this thesis I studied self-interstitials and vacancies and their interactions in two dimensions. The displacement field of interstitials with periodic boundary conditions can be described accurately with elasticity theory using Ewald summation, at least for distances larger than 15 lattice spacings from the defect center. For vacancies such a description is not possible. With Monte Carlo simulations the effective interactions between interstitials and vacancies was calculated. The interactions between defects are purely attractive even for defects of the same species. The attraction between two vacancies is larger than that between two interstitials by a factor of 2. The effective interaction between a pair of defects and an additional defect of the same species exhibits a pronounced local maximum at the smallest distance. The minimum is located such that the defects form strings. These string-like clusters are ended by two pairs of dislocations, the two-dimensional analog to prismatic dislocation loops observed in metals after ion radiation.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
nucleation colloidal systems defect interactions elasticity theory Ewald Summation defect strings
Schlagwörter
(Deutsch)
Nukleation Kolloidale Systeme Defektwechselwirkungen Elastizitäts Theorie Ewald Summation Defektketten
Autor*innen
Wolfgang Lechner
Haupttitel (Englisch)
Nucleation and defect interactions in colloidal suspensions
Paralleltitel (Deutsch)
Nukleation und Defektwechselwirkungen in kolloidalen System
Publikationsjahr
2009
Umfangsangabe
146, 2 S. : graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Peter Bolhuis ,
Martin Neumann
Klassifikation
33 Physik > 33.60 Kondensierte Materie: Allgemeines
AC Nummer
AC05040154
Utheses ID
3617
Studienkennzahl
UA | 091 | 411 | |