Kolloide im Nichtgleichgewicht : vom eindimensionalen Transport zur Strukturbildung auf Oberflächen

In dieser Arbeit wird das kollektive Verhalten kolloidaler Suspensionen auf der mesoskopischen Skala im Gleichgewicht sowie im Nichtgleichgewicht untersucht. In Anlehnung an kürzlich durchgeführte Experimente fokussieren wir uns im ersten Teil der Arbeit auf das Transportverhalten von Suspensionen mit rein repulsiv wechselwirkenden "weichen" Teilchen in engen, räumlich modulierten Kanalstrukturen. Basierend auf der modernen dynamischen Dichtefunktionaltheorie (DDFT) können wir erstmals den Einfluss von externen Kontrollschleifen mit zeitlicher Rückkopplung auf die Kolloid-Dynamik im Nichtgleichgewicht untersuchen. Für verschiedene experimentell zugängliche Kontrolltargets zeigen wir, dass die gezielte Manipulation des globalen Teilchenverhaltens möglich ist, darunter die Umkehr des Teilchenstroms und die Stabilisierung von raumzeitlichen Oszillationen. Im zweiten Teil der Arbeit finden wir durch Beimischung von magnetischen Teilchen mit klassischen Heisenbergspins eine spontane Strukturbildung, wobei magnetische und nichtmagnetische Domänen entstehen. In Abhängigkeit von Teilchendichte und -konzentration ergeben sich ein Entmischungsübergang erster Ordnung und ein Phasenübergang zweiter Ordnung für die Magnetisierung bei bestimmten magnetischen Kopplungen. Basierend auf klassischer und dynamischer Dichtefunktionaltheorie berechnen wir sowohl die Flüssig-Flüssig-Grenzflächen im Gleichgewicht als auch das Domänenwachstum im Nichtgleichgewicht. Für das Gleichgewichts-Phasendiagramm finden wir zwei verschiedene Phasenseparationsbereiche: die spinodale Entmischung und die Nukleation für energetisch aktivierte Wachstumsprozesse. Basierend auf der DDFT zeigen wir, dass das Wachstum in der spinodalen Entmischung systematisch einem Power-Law-Verhalten folgt mit einem Exponenten, der mit Vorhersagen aus klassischen Überlegungen übereinstimmt. Für die Nukleation im Nichtgleichgewicht präsentieren wir neue Resultate zum physikalischen Pfad ins Gleichgewicht, wobei wir als Koordinaten die Barrierenenergie und die Teilchenexzesszahl wählen. Im letzten Teil der Arbeit demonstrieren wir, dass das Strukturbildungsverhalten im Nichtgleichgewicht gezielt mit zeitabhängigen externen Substratfeldern beeinflusst werden kann. Für eine neuartige dynamische Instabilität, bei der sich Streifen entgegen der Symmetrie des externen Potentials ausbilden, zeigen wir, dass der zugrundeliegende physikalische Mechanismus auf ein Wechselspiel zwischen der spinodalen Entmischung und der gewählten externen Kraft beruht. Zudem stellt sich heraus, dass der Strukturübergang mit einem gerichteten Teilchentransport verbunden ist, der sich mit äusseren Parametern einstellen lässt.In this thesis, we investigate the collective behavior of colloidal suspensions at the mesoscale level in equilibrium as well as in non-equilibrium. Related to recent experiments, we focus in the first part of the thesis on the transport behavior of suspensions of purely repulsive "soft" particles in narrow, spatially modulated channels. Based on the modern dynamical density functional theory (DDFT) we investigate for the first time the impact of external control loops with time delay on colloidal dynamics in non-equilibrium. For different control targets which are also accessible in experiments we demonstrate that the manipulation of the global particle behavior is possible, including the reversal of the particle current and the stabilization of spatiotemporal oscillations. By adding magnetic particles with classical spins of Heisenberg type in the second part of the thesis, we find spontaneous pattern formation with magnetic and non-magnetic domains. Depending on the particle density and concentration we find a first-order demixing transition and a second-order phase transition for the magnetization at fixed magnetic coupling. Based on classical and dynamical density functional approaches we calculate the fluid-fluid interface in equilibrium as well as the domain growth in non-equilibrium. We find two distinct demixing regions for the equilibrium phase diagram, namely spinodal decomposition and nucleation where the latter is an activated growth process. Based on DDFT we show that the domain growth within spinodal decomposition grows systematically with a power law exponent that corresponds to predictions from classical theories. For the nucleation process in non-equilibrium we show new results for the physical pathway towards equilibrium where we choose the energy barrier and particle excess number as coordinates. In the last part of the thesis we demonstrate that the pattern formation in non-equilibrium can be altered in a controlled way by using time-dependent external surface fields. For a novel dynamical instability where stripes against the symmetry of the external potential form, we show that the underlying mechanism is based on an interplay between the intrinsic spinodal decomposition and time-dependent external forces. Moreover, we find that this structural transition is accompanied by directed particle transport which is tuneable by changing external parameters