Effect of mesoscopic fluctuations on equation of state in cluster-forming systems

Abstract

Equation of state for systems with particles self-assembling into aggregates is derived within a mesoscopic theory combining density functional and field-theoretic approaches. We focus on the effect of mesoscopic fluctuations in the disordered phase. The pressure - volume fraction isotherms are calculated explicitly for two forms of the short-range attraction long-range repulsion potential. Mesoscopic fluctuations lead to an increased pressure in each case, except for very small volume fractions. When large clusters are formed, the mechanical instability of the system is present at much higher temperature than found in mean-field approximation. In this case phase separation competes with the formation of periodic phases (colloidal crystals). In the case of small clusters, no mechanical instability associated with separation into dilute and dense phases appears.

Рiвняння стану для систем частинок, що самоскупчуються в агрегати, є отримане в рамках мезоскопiчної теорiї, що поєднує метод функцiоналу густини i теоретико-польовий пiдхiд. Ми дослiджуємо вплив мезоскопiчних флуктуацiй у невпорядкованiй фазi. Явно обчислено iзотерми ‘тиск – об’ємна частка’ для двох наборiв параметрiв потенцiалу короткосяжне притягання плюс далекосяжне вiдштовхування. В кожному випадку врахування мезоскопiчних флуктуацiй приводить до пiдвищення тиску, за винятком дуже малих об’ємних часток. Коли утворюються великi кластери, механiчна нестiйкiсть системи присутня при набагато вищих температурах, нiж це було отримано в наближеннi середнього поля. В цьому випадку фазове вiдокремлення конкурує iз формуванням перiодичних фаз (колоїдних кристалiв). У випадку малих кластерiв механiчна нестiйкiсть, пов’язана з вiдокремленням в розрiджену i густу фази, не виникає.