Authors:	Jung, Gerhard
Title:	Coarse-Graining Frequency-Dependent Phenomena and Memory in Soft Matter Systems
Online publication date:	19-Dec-2018
Year of first publication:	2018
Language:	english
Abstract:	In recent years, the focus of soft matter science has shifted more and more from equilibrium to non-equilibrium systems. One of the best examples for this trend is the popularity of active matter and microswimmers in modern research. One major feature of non-equilibrium processes is their strong dependence on the dynamical properties of the system. This complicates the construction of coarse-grained models for these systems, because the coarse-graining inherently changes their dynamics. In this thesis, we investigate and coarse-grain frequency-dependent phenomena in soft matter science. The methods proposed in this work are still restricted to systems in equilibrium, however, they represent an important first step to develop coarse-graining techniques for non-equilibrium simulations. In the first part of this thesis we investigate the dielectric properties of flexible polyelectrolytes in ionic solution. We can demonstrate that the electric polarizability strongly depends on the solvent quality. Due to the overlapping of different relaxation times, it is also revealed that the dielectric properties depend non-monotonically on the frequency of the externally applied electric field. Afterwards, the hydrodynamic interactions of dispersed nanocolloids are analyzed. Similar to the observation made for the previous system, the study shows that physical processes on different but overlapping time scales induce significant memory effects in the system. The movement of a nanocolloid in dispersion, e.g., generates fluid vortices that affect its own dynamics and the movement of other nearby nanocolloids at later times. These memory effects can be described with a generalized Langevin equation by including frequency-dependent friction kernels and time-correlated stochastic forces. To utilize these insights for dynamic coarse-graining, we develop two novel methods: the iterative memory reconstruction'' to systematically determine memory kernels from microscopic systems, and the generalized Brownian dynamics'' technique to integrate the generalized Langevin equation. The combination of these tools enables the construction of a non-Markovian coarse-grained model for the dispersed nanocolloids that perfectly reproduces the dynamics of the underlying microscopic system. The distinct feature of this model is that it not only includes the hydrodynamic self-diffusion of the colloids but it also incorporates the correct frequency-dependent pair-correlations between different particles. Additionally, we can show that the time-integration of this transferable coarse-grained model is roughly 10000 times faster than the original molecular dynamics simulations. In den letzten Jahren hat sich der Fokus in der Physik weicher Materie stark von Gleichgewichts- zu Nichtgleichgewichtssystemen verschoben. Das vielleicht beste Beispiel dafür ist die derzeitige Popularität von aktiven Teilchen und Mikroschwimmern in der Forschung. Eine wichtige Eigenschaft von Prozessen im Nichtgleichgewicht ist ihre Abhängigkeit von den dynamischen Eigenschaften des Systems. Dies verkompliziert die Herleitung von vergröberten Modellen erheblich, da diese automatisch eine stark veränderte Dynamik aufweisen. In dieser Doktorarbeit untersuchen und vergröbern wir frequenzabhängige Phänomene in der Physik weicher Materie. Die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden sind weiterhin auf Gleichgewichtssysteme beschränkt, allerdings stellen sie einen wichtigen Schritt zur Entwicklung von Vergröberungstechniken von Nichtgleichgewichtssimulationen dar. Im ersten Teil dieser Doktorarbeit werden die dielektrischen Eigenschaften von Polyelektrolyten in ionischer Lösung analysiert. Wir können zeigen, dass die elektrische Polarisierbarkeit stark von der Qualität des Lösungsmittels abhängt. Aufgrund der überlappenden Relaxationszeitskalen beobachten wir außerdem eine nicht-monotone Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Eigenschaften des Polyelektrolyts. Im Anschluss werden die hydrodynamischen Wechselwirkungen von gelösten Nanokolloiden untersucht. Auch diese Studie zeigt, dass physikalische Prozesse auf unterschiedlichen aber überlappenden Zeitskalen Gedächtniseffekte'' im System hervorrufen. Zum Beispiel erzeugt die Bewegung eines Nanokolloids Wirbel im Lösungsmittel, welche seine eigene Dynamik und die Bewegung benachbarter Kolloide beeinflussen. Diese Gedächtniseffekte'' können mithilfe der verallgemeinerten Langevin Gleichung beschrieben werden, indem man frequenzabhängige Reibungsfunktionen und zeitkorrelierte Zufallskräfte einführt. Um diese Erkenntnisse für dynamisches Vergröbern zu nutzen, haben wir zwei neuartige Methoden entwickelt: Die iterative Gedächtnisrekonstruktion'', um systematisch Gedächtnisfunktionen von mikroskopischen Systemen herzuleiten, und die verallgemeinerte Brownsche Dynamik'', um die verallgemeinerte Langevin Gleichung zu lösen. Die Kombination dieser Techniken ermöglicht die Erzeugung eines vergröberten nicht-Markovschen Modells der gelösten Nanokolloide, welches die Dynamik des zugrundeliegenden mikroskopischen Systems perfekt reproduziert. Die Besonderheit dieses Modells ist, dass es nicht nur die Selbstdiffusion der Kolloide nachstellt, sondern auch die korrekten Kreuzkorrelationen zwischen unterschiedlichen Teilchen integriert. Zusätzlich können wir zeigen, dass die Zeitintegration dieses transferierbaren vergröberten Modells etwa 10000 Mal schneller ist als die ursprünglichen Molekulardynamik-Simulationen.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3861
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000024853
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	127 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen