Non-equilibrium molecular dynamics study of an amphiphilic model system

Abstract

Diese Doktorarbeit untersucht das Verhalten von komplexenFluidenunter Scherung, insbesondere den Einfluss von Scherflüssenauf dieStrukturbildung.Dazu wird ein Modell dieser entworfen, welches imRahmen von Molekulardynamiksimulationen verwendet wird.Zunächst werden Gleichgewichtseigenschaften dieses Modellsuntersucht. Hierbei wird unter anderem die Lage desOrdnungs--Unordnungsübergangs von derisotropen zur lamellaren Phase der Dimere bestimmt.Der Einfluss von Scherflüssen auf diese lamellare Phase wirdnununtersucht und mit analytischen Theorien verglichen. Die Scherung einer parallelen lamellaren Phase ruft eineNeuausrichtung des Direktors in Flussrichtung hervor.Das verursacht eine Verminderung der Schichtdicke mitsteigender Scherrateund führt oberhalb eines Schwellwertes zu Ondulationen.Ein vergleichbares Verhalten wird auch in lamellarenSystemengefunden, an denen in Richtung des Direktors gezogen wird.Allerdings wird festgestellt, dass die Art der Bifurkationenin beidenFällen unterschiedlich ist.Unter Scherung wird ein Übergang von Lamellen parallelerAusrichtung zu senkrechter gefunden.Dabei wird beoachtet, dass die Scherspannung in senkrechterOrientierungniedriger als in der parallelen ist.Dies führt unter bestimmten Bedingungen zum Auftreten vonScherbändern, was auch in Simulationen beobachtet wird. Es ist gelungen mit einem einfachen Modell viele Apsekte desVerhalten vonkomplexen Fluiden wiederzugeben. Die Strukturbildung hängt offensichtlich nurbedingt von lokalen Eigenschaften der Moleküle ab.

This thesis is concerned with the behavior of complex fluidsunder shear flows, especially the influence on structureformation.A model of such fluid is developed, which is later used inthe scopeof molecular dynamics (MD) simulations.First equilibrium properties of model are investigated.Then order--disorder transition of a dimer--melt is locatedandinfluence of shear on the lamellar phase is studied.Results are compared to appropriate analytical theories. Shear on parallel oriented lamellae causes a flow alignmentof the director.This alignment leads to a shrinkage in the layer thicknessand above a certain threshold to undulation of the layers.A similar behavior is also found in dilatation simulationsbut thebifurcation at the onset is here different.A transition from a parallel to a perpendicular orientationis alsofound. The shear stress of the perpendicular oriented sampleis lowerthan the shear stress found in the parallel orientation atsame strain rates. This may lead to shear bands which are observed as acoexistence of isotropic and perpendicular regionsexhibitingdifferent local strain rates.This thesis succeeds in describing the essential physics ofspecialcomplex fluids under shear flow with a simple andcomputationalefficient model.