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Anomalous dynamics of phase-separating glassy mixtures
Konstantin Moser
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Christos Likos
DOI
10.25365/thesis.78828
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-27679.18091.445023-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die glasartige Dynamik binärer Mischungen wird normalerweise anhand von harten Kolloiden unterschiedlicher Größe oder anderen generischen Wechselwirkungspotentialen untersucht. Komplexere binäre Mischungen, wie solche, bei denen eine Komponente weich und die andere hart ist, bleiben jedoch weitgehend unerforscht. Diese Masterarbeit stellt Ergebnisse umfangreicher Molekulardynamik-Simulationen eines Glases vor, das aus großen weichen Kolloiden gebildet wird, denen kleinere harte Kolloide zugesetzt werden. Wir charakterisieren die Struktur und Dynamik beider Komponenten und reproduzieren erfolgreich experimentelle Beobachtungen, bei denen das Glas beim Erhöhen der Konzentration harter Kolloide schmilzt. Unsere Analyse konzentriert sich speziell auf die Dynamik der harten Kolloide innerhalb der glasartigen Matrix aus weichen Kolloiden. Wir zeigen, dass das Einsetzen der Phasentrennung die Dynamik der harten Kolloide stark beeinflusst. Bei zunehmender Phasentrennung identifizieren wir zwei verschiedene dynamische Regime der harten Kolloide: Ein schnelles Regime von harten Kolloiden in phasengetrennten Clustern, und ein langsames Regime, das auftritt, wenn die harten Kolloide durch die glasartige Matrix diffundieren. Weiterhin beobachten wir eine bemerkenswerte Entkopplung zwischen der Selbstdynamik und der Kollektivdynamik, wie sie durch die intermediate scattering functions auf den charakteristischen Längenskalen der phasengetrennten Cluster beschrieben wird. Die Selbstdynamik klingt konventionell exponentiell ab, während die Kollektivdynamik mit fortschreitender Phasentrennung ein ausgeprägtes ansteigendes Plateau entwickeln. Bemerkenswerterweise bleiben die Zeitskalen der vollständigen Relaxation der selbst- und kollektiven intermediären Streufunktionen konstant. Somit zeigen wir auf, wie Phasentrennung in einer glasartigen Umgebung zu neuartigen dynamischen Effekten führt, die in homogenen Systemen nicht vorhanden sind.
Abstract
(Englisch)
Glassy dynamics of binary mixtures are usually studied using hard spheres of different sizes or other generic interaction potentials. However, more complex binary mixtures, such as mixtures where one component is soft and the other is hard, remain largely unexplored. This thesis presents results from extensive molecular dynamics simulations of a glass formed by large soft colloids to which smaller hard colloids are added. We characterize the structure and dynamics of both components, successfully reproducing experimental observation where the glass melts upon increasing hard colloid concentration. Our analysis specifically focuses on the dynamics of the hard spheres within the glassy matrix of soft colloids. We demonstrate that the onset of phase separation non-trivially influences the dynamics of the hard colloids. Namely, upon increasing phase separation, we identify two distinct dynamic regimes of the hard spheres: A fast regime associated with phase separated clusters of hard spheres, and a slow regime occurring when the hard colloids are diffusing through the glassy matrix. Furthermore, we observe remarkable decoupling between self and collective dynamics, as described by the intermediate scattering functions, at the characteristic length scales of the phase separated clusters. Self dynamics decay conventionally in an exponential manner, while the collective intermediate scattering functions develop a pronounced rising plateau as phase separation advances. Notably, the timescale of total relaxation of the self and collective intermediate scattering functions stay constant even as the plateau rise. These findings demonstrate that to fully describe the anomalous dynamics of the hard colloids in the presence of phase separation, collective dynamics must be considered. In this thesis we therefore reveal that phase separation in a glassy environment leads to novel dynamic effects not present in homogeneous systems.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Physik der weichen Materie Computersimulation Kolloide Amorpher Zustand Gläser Phasentrennung Molekulardynamik Flüssigkeiten
Autor*innen
Konstantin Moser 
Haupttitel (Englisch)
Anomalous dynamics of phase-separating glassy mixtures
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
viii, 66 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christos Likos
Klassifikation
33 Physik > 33.66 Amorpher Zustand. Gläser
AC Nummer
AC17594733
Utheses ID
76399
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |