Brownian Particles in Nonequilibrium Solvents

by Boris Müller
Doctoral thesis
Date of Examination:2019-12-10
Date of issue:2020-01-08
Advisor:Prof. Dr. Matthias Krüger
Referee:Prof. Dr. Matthias Krüger
Referee:Prof. Dr. Marcus Müller
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7798

 

 

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Abstract

English

Colloidal particles suspended in purely viscous (Newtonian) solvents have played a crucial role in understanding nonequilibrium processes and in the development of statistical physics out of equilibrium. The theoretical description of these systems usually rests on the assumption of a clear separation of time scales between the slow dynamical variables of probe particles and the fast dynamical variables of molecular solvent particles. In recent years, viscoelastic fluids have entered the limelight of both theory and experiment. Most importantly, they are characterized by large structural relaxation times that can be comparable to or even larger than those of colloidal motion. The reason for the slow relaxation of these fluids lies in their complex microstructure that allows for the storage and dissipation of energy. These fluids comprise a huge variety of systems such as biological fluids, semi-dilute polymer solutions, micellar systems, or dense colloidal suspensions. In this thesis, we thoroughly investigate and extend the theory of Brownian motion in complex fluids in and out of equilibrium.
Keywords: Brownian motion; Viscoelastic solvents; Projection operator formalism; Microrheology; Nonlinear Langevin equation; Stochastic Prandtl-Tomlinson model; Negative memory modes; Nonlinear response theory; Colloidal particles; Path integral formalism; Linearization techniques

German

Kolloidale Teilchen suspendiert in rein viskosen (Newtonschen) Flüssigkeiten haben für unser Verständnis von Nichtgleichgewichtsprozessen und bei der Entwicklung der Statistischen Physik außerhalb des Gleichgewichts eine gewichtige Rolle gespielt. Die theoretische Beschreibung dieser physikalischen Systeme beruht typischerweise auf der Annahme, dass eine klare Trennung der Zeitskalen zwischen den langsamen (dynamischen) Freiheitsgraden der kolloidalen Teilchen und der schnellen (dynamischen) Freiheitsgraden der molekularen Teilchen der Lösung vorliegt. In den letzten Jahren haben vermehrt sogenannte viskoelastische Flüssigkeiten die Aufmerksamkeit der Forschergemeinschaft sowohl in der theoretischen Beschreibung als auch in der experimentellen Analyse auf sich gezogen. Diese Flüssigkeiten sind vor allem durch große strukturelle Relaxationszeiten gekennzeichnet, die vergleichbar oder sogar größer sein können als die Zeitskalen, die mit der kolloidalen Bewegung verbunden sind. Der Grund für die langsame Relaxation dieser Flüssigkeiten liegt in ihrer komplexen Mikrostruktur, die die Speicherung und Dissipation von Energie erlaubt. Viskoelastische Flüssigkeiten umfassen eine große Anzahl an Systemen, wie zum Beispiel biologische Flüssigkeiten, semi-diluten Polymerlösungen, Mizellensystemen, oder dichte kolloidalen Suspensionen. In dieser Arbeit untersuchen und erweitern wir eingehend die Theorie der Brownschen Bewegung in komplexen Flüssigkeiten in und außerhalb des Gleichgewichtszustandes.
 
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