Charging changes contact composition in binary sphere packings

Equal volume mixtures of small and large polytetrafluorethylene (PTFE) spheres are shaken in an atmosphere of controlled humidity which allows to also control their tribo-charging. We find that the contact numbers are charge-dependent: as the charge density of the beads increases, the number of same-type contacts decreases and the number of opposite-type contacts increases. This change is not caused by a global segregation of the sample. Hence, tribo-charging can be a way to tune the local composition of a granular material.Comment: 7 Pages, 5 Figure

Finite 3D dust clouds beyond the crystalline state

During the past decade, various physical properties of the Yukawa ball, like structure and energy states, were unraveled using experiments. However, the dynamical features served further attention. Therefore, the main aim of my thesis was to investigate and understand how a finite system-represented by Yukawa clusters-evolves from a solid, crystalline structure to a liquid-like system, how it behaves in this phase and in what manner the reordering back into the solid state can be described. As a method of choice to reach this goal, laser heating has been proven successful. Moreover, the special importance of wakefields for dust clusters confined at low neutral gas pressure was addressed. Melting of finite dust clouds can be induced in two ways, either by altering the properties of the ambient plasma or by laser heating. The latter was shown to be a generic melting scenario, allowing to estimate a critical coupling parameter at the melting point. Moreover, the melting transition of finite 3D dust systems was found to be a two-step process where angular order is lost before the radial order starts to diminish at higher energies. Next, the mode dynamics of finite 3D dust ensembles in the solid and the liquid phase was studied. Crystal and fluid modes revealed the main spectral properties of the system. The normal modes are mainly suited to describe crystalline states. Fluid modes were excited naturally and via laser heating, with excitation frequencies almost independent of the coupling parameter in the solid and the liquid-like regime. Tuning the plasma parameters can be used to vary the particle-particle interaction via the ion focus. Both methods, even though assuming equilibrium situations, allowed to hint at these wakefields. The corresponding peaks in the fluid and normal mode spectra were no eigenmodes, confirming the nonequilibrium character of the ion focusing effect. First steps to extend the normal mode theory to achieve the dynamics of wake-affected nonequilibrium dust clusters were presented. Statistical quantities were obtained evaluating long-run experiments and transport coeffcients for finite dust systems were calculated via the instantaneous normal mode technique. Diffusion was found considerably higher for 3D than for 2D dust clusters. Using the configurational entropy, we have shown that in 2D and 3D disorder increases with increasing size of the system, in agreement with simulations. The temperature dependence of the configurational entropy differs for 2D and 3D dust clouds, with a threshold behavior found for finite 2D ensembles only. Finally, using instantaneous normal modes to reveal the total fraction of unstable modes, the predictive connection of Keyes (Phys Rev E 62, p7905, 2000), between transport and disorder was tested and verified for 2D, but not for 3D clusters. The reason for this has to be left open. Finally, laser-mediated recrystallization processes of finite 3D dust clouds were investigated. First, the temporal evolution of the Coulomb coupling parameter was traced during heating and recrystallization. A cooling rate has been determined from the initial phase of recrystallization. This cooling rate is lower than damping by the neutral gas, in agreement with simulations. We have observed a large fraction of metastable states for the final cluster configurations. Further, we have revealed that the time scale for the correlation buildup in the finite 3D ensemble was on even slower scales than cooling. Thus, different time scales can be attributed to the fast emergence of the shells and to the slower individual ordering within the shells.Im vergangenen Jahrzehnt wurden viele physikalische Eigenschaften des Yukawa-Balles, wie z.B. dessen Struktur und Energiezustände, mittels experimenteller Zugänge entschlüsselt. Das Studium der dynamischen Eigenschaften von Yukawa-Bällen legt das Hauptziel meiner Dissertation fest: Zu untersuchen und zu verstehen wie sich ein finites (endliches) System-repräsentiert durch Yukawa-Cluster-von der festen, kristallinen zur flüssigen Phase entwickelt, wie es sich in dieser Phase verhält und in welcher Weise die Rekristallisation zurück in die feste Phase beschrieben werden kann. Die sog. Laserheizung hat sich hier als Methode der Wahl etabliert, um das Ziel der Dissertation zu erreichen. Darüber hinaus wurde die Sonderrolle des in Ionenströmungen auftretenden Wakefields (dt. „Fahrwasser“) für bei niedrigem Neutralgasdruck eingefangene Staubcluster adressiert. Der Schmelzprozess finiter Staubwolken kann auf zwei Arten induziert werden. Einerseits über Änderungen der physikalischen Eigenschaften des den Cluster umgebenden Plasmas oder andererseits mittels Laserheizung. Letztere Methode bietet ein allgemeineres Schmelzszenario, da es die Bestimmung des kritischen Kopplungsparameters am Schmelzpunkt erlaubt. Zusätzlich zeigte sich, dass der Phasenübergang beim Schmelzen eines finiten Systems zweistufig ist. Erst kommt es zu einem Verlust der Winkelordnung, anschließend zu einem Verschwinden der radialen Ordnung bei höheren Energien. Danach wurde die Modendynamik finiter 3D Staubansammlungen sowohl in der festen als auch der fluiden Phase untersucht. Fluid- und Kristallmoden (Normalmoden) spiegeln die wesentlichen spektralen Eigenschaften des untersuchten Systems wider, wobei die Normalmoden eher für kristalline Zustände geeignet sind. Die Fluidmoden lassen sich mittels Plasma und mittels Laser anregen. Die Anregungsfrequenzen sind hierbei im festen und flüssigen Regime nahezu unabhängig vom Kopplungsparameter. Die Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung lässt sich mittels Variation der Plasmaparameter über den Ionenfokus steuern. Beide Analysemethoden, obwohl für Gleichgewichtssituationen entwickelt, geben Hinweise auf das Vorhandensein von Ionenfoki. Die entsprechenden Maxima in den Normal- und Fluidmodenspektren lassen sich nicht zu den Eigenmoden des Systems zuordnen, was den Nichtgleichgewichtscharakter des Ionenfokus weiter unterstreicht. Erste Schritte zur Erweiterung der Normalmodenanalyse für Situationen des ionenfokusmodulierten Nichtgleichgewichts wurden präsentiert. Statistische Messgrößen wurden anhand von Langzeitexperimenten bestimmt und der Diffusionskoeffizient finiter Staubsysteme wurde mit Hilfe der Instantanen Normalmodenanalyse berechnet. Hierbei zeigte sich eine um einiges höhere Diffusion für 3D im Vergleich zu 2D Staubclustern. Es wurde, in Übereinstimmung mit früheren Simulationen, gezeigt, dass die Konfigurationsentropie mit wachsender Größe des Systems ansteigt. Die Temperaturabhängigkeit der Konfigurationsentropie variiert von 2D zu 3D Staubwolken, wobei ein Schwellwertverhalten nur für finite 2D Ensemble beobachtet wurde. Mittels Instantaner Normalmodenanalyse zur Berechnung des totalen Anteils instabiler Moden wurde die Vorhersage von Keyes (Phys Rev E 62, p7905, 2000), welche Transport und Unordnung verknüpft, getestet und für 2D Staubcluster verifiziert, nicht jedoch für 3D Staubcluster. Der Grund hierfür muss an dieser Stelle offen gelassen werden. Zum Abschluss wurde der laserinduzierte Rekristallisationsprozess für finite 3D Staubwolken untersucht. Zuerst wurde die zeitliche Entwicklung des Coulomb-Kopplungsparameters während der Heiz- und der Rekristallisationsphase verfolgt. Eine Kühlrate ließ sich aus der Frühphase der Rekristallisation bestimmen. Die Kühlung erfolgt auf langsameren Zeitskalen als die Dämpfungsrate des Neutralgases, in Übereinstimmung mit früheren Simulationen. Einen großer Anteil an Clusterzuständen nach Ende der Rekristallisationsphase stellen metastabile Energiezustände dar. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Zeitskala des Aufbaus von Korrelationen in endlichen 3D Systemen noch langsamer ist als die Zeitskala für die Kühlung des Systems. Mit anderen Worten lassen sich verschiedene Zeitskalen für den schnellen Aufbau der einzelnen Schalen und den langsamere Ordnungsaufbau auf diesen Schalen finden

A CO J = 2-->1 study of the outflow sources GL 490 and NGC 7538 IRS 9

vi, 83 leaves : ill., maps ; 28 cm.Includes bibliographical references (leaves 65-67).This thesis presents new detailed [superscript 12]CO and [superscript 13]CO observations, using 21" resolution, around the two luminous infrared sources GL 490 and NGC 7538 IRS 9. Observations show strong evidence for bipolarity of the high-velocity outflows surrounding these two objects. Calculations of optical depth indicate that [superscript 12]CO J =2[right arrow]1 emission is optically thick in the inner wings and optically thin in the outer wings. The total outflow masses were determined to be 9 MO for GL 490 and 50 MO for NGC 7538 IRS 9. The calculated mechanical luminosities of the outflows are much smaller than the stellar luminosities of the respective sources which is consistent with radiation pressure being the driving mechanism. The calculated force required to accelerate the molecular outflow is, however, much larger than the force that could be exerted on the gas if every photon emitted by the central object were absorbed. Mass loss rates were calculated by dividing total outflow mass by the dynamical timescale and were found to be 1.7X10[superscript -3]MO/yr for NGC 7538 IRS 9 and 6X10[superscript -4]MO/yr for GL 490. Our observations imply that much of the emission arises from swept-up material which is possibly the result of the interaction of a collimated wind and the ambient molecular cloud. (Abstract shortened by UMI.

Influence of humidity on tribo-electric charging and segregation in shaken granular media

We study the effect of humidity on the charge accumulation of polymer granulates shaken vertically in a stainless steel container. This setup allows us to control the humidity level from 5% to 100%RH while performing automated charge measurements in a Faraday cup directly connected to the shaking container. We find that samples of approximately 2000 polymer spheres become highly charged at low humidity levels (<30%RH), but acquire almost no charge for humidity levels above 80%RH. The transition between these two regimes does depend on the material, as does the sign of the charge. For the latter we find a correlation with the contact angle of the polymer with only very hydrophilic particles attaining positive charges. We show that this humidity dependence of tribo-charging can be used to control segregation in shaken binary mixtures

Influence of humidity on tribo-electric charging and segregation in shaken granular media.

We study the effect of humidity on the charge accumulation of polymer granulates shaken vertically in a stainless steel container. This setup allows us to control the humidity level from 5% to 100%RH while performing automated charge measurements in a Faraday cup directly connected to the shaking container. We find that samples of approximately 2000 polymer spheres become highly charged at low humidity levels (<30%RH), but acquire almost no charge for humidity levels above 80%RH. The transition between these two regimes does depend on the material, as does the sign of the charge. For the latter we find a correlation with the contact angle of the polymer with only very hydrophilic particles attaining positive charges. We show that this humidity dependence of tribo-charging can be used to control segregation in shaken binary mixtures