Dokument: Emergent states in active fluids: From bulk to confinement

Titel:	Emergent states in active fluids: From bulk to confinement
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=32970
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150107-105428-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	MSc Kaiser, Andreas [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,58 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 15.12.2014 / geändert 15.12.2014
Beitragende:	Prof. Dr. Hartmut Löwen [Gutachter] Prof. Dr. Jan K. G. Dhont [Gutachter] Prof. Dr. Christian Holm [Gutachter]
Stichwörter:	active particles, collective dynamics, poymer physics
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	This work is about emergent states in active fluids, meaning fluids consisting of self-propelled units. The collective behavior of such units with spherical and rodlike shape is investigated in bulk as well as in systems with confinements of various characteristics. These emerging states will be mainly analysed by Brownian dynamics simulations and the results can be applied to various domains of science: self-propelled particles can be manufactured synthetically (chemistry and even robotics) or are present in nature, e.g. in form of bacteria, fish, and birds, (biology) and the study of their statistical properties and collective behavior has emerged as a popular topic in physics over the past years. Chapter 1 provides an introduction to active fluids. An explanation why the particles within these fluids objects are called "active'' will be given alongside examples for living and artificial colloidal active particles. Furthermore, the theory behind the dynamics of these particles will be described, including a detailed explanation of the corresponding simulation routine and the particle model employed throughout this thesis. Moreover, a brief summary on statistical properties of polymers in equilibrium will be given. Chapter 2 considers self-propelled particles propagating on circular paths in bulk. Collective properties of such circle swimmers will be investigated and a state diagram will be mapped out for varying particle density and swimming path radii. The four emerging distinctive states will be quantified by suitable order parameters. A simple theory will be proposed to predict the found state diagram. Beginning with Chapter 3 we will include an obstacle in the considered system of active particles. From there on out, we will study active particles which propagate on straight lines. For such particles a stiff wedgelike obstacle represents an excellent trapping device and its efficiency can be controlled by varying the apex angle. Adopting an established technique from the fishing industry, the wedge will be dragged through the system of colloidal microswimmers. The collective trapping regimes will be investigated as well as the probability of trapping a single swimmer in relation to the apex angle and the dragging velocity. For the single swimmer case a theoretical prediction will be given, which will explain an unexpected reentrant effect in the trapping state diagram for both cases. Chapter 4 will show the possibility of extracting directed motion, in other words useable kinetic energy, out of a bacterial bath. Here a carrier (a wedgelike object) is submersed in active fluids of varied bacterial concentrations. The transport efficiency will be studied in experiments on living bacteria and compared to numerical results. As the explanation for the directed motion of the carrier, the concept of swirl shielding will be introduced. This will clarify why the transport velocity is maximal in a state which is known as bacterial turbulence. A deformable obstacle is considered in Chapter 5. It will be modeled as a semiflexible chain (like a polymer) and its statistical properties will be analysed for the case that it is submersed in a bacterial bath and compared to the well known case of the exposure to a thermal bath. Therefore, the length of the chain as well as the density and the activity of the active fluid will be varied. While the static properties for long chains are unaffected, there is a faster swelling of the polymer than described by the Flory exponent for short chains. Chapter 6 provides a conclusion and gives an outlook on problems that remain unanswered and need to be addressed in the future. In the Appendix the statistical properties of the motion of an active particle will be briefly summarized with respect to the mean square displacement and even higher displacement moments. Theoretical predictions, based on the used model in this thesis, are confirmed by experiments with artificial microswimmers. In dieser Arbeit über auftretende Zustände in aktiven Flüssigkeiten werden die kollektiven Verhalten von sowohl kugel- als auch stäbchenförmigen selbstgetriebenen Teilchen in Systemen ohne sowie mit unterschiedlichen Hindernissen untersucht. Dies geschieht hauptsächlich aufgrund von Computersimulationen der Brownschen Dynamik. Die erzielten Ergebnisse sind für verschiedene Disziplinen der Naturwissenschaften relevant: Selbstgetriebene Teilchen können einerseits synthetisch ergestellt werden, wodurch die Chemie und die Robotik einbezogen werden. Andererseits sind aber auch in der Natur (Biologie) aktive Teilchen zu finden -- Beispiele sind unter anderem Bakterien, Fische und Vögel. Darüber hinaus ist die Analyse der statistischen Eigenschaften der oben genannten Systeme sowie die Beschreibung der auftretenden kollektiven Verhalten in den letzten Jahren ein verbreiteter Forschungsbereich in der Physik geworden. Zu Beginn wird in Kapitel 1 eine Einleitung zu aktiven Flüssigkeiten gegeben. Beispiele hierfür werden genauer beschrieben und es wird erklärt, warum man die Objekte, die von einer solche Flüssigkeiten beinhaltet werden, "aktiv" genannt werden. Außerdem werden die grundlegende Simulationsmethodik und das genutzte Teilchenmodell detailliert beschrieben. Abschließend wird eine kurze Einführung in die Polymerphysik gegeben. Kapitel 2 befasst sich mit selbstgetriebenen Teilchen ("Schwimmern") die sich auf kreisförmigen Trajektorien bewegen. Ihr kollektives Verhalten wird untersucht und ein Diagramm ausgearbeitet, das die auftretenden Strukturen zeigt. Hierbei werden sowohl die Teilchendichte als auch der Radius der Teilchentrajektorien variiert. Die vier auftretenden Strukturen werden dabei durch geeignete Ordnungsparameter charakterisiert. Basierend auf geometrischen Überlegungen, wird eine einfache Theorie vorgestellt, mit der sich das gefundene Diagramm qualitativ vorhersagen lassen kann. Ab Kapitel 3 werden aktive Flüssigkeiten analysiert denen ein Hindernis hinzugefügt wird. Außerdem werden von nun an selbstgetriebene Teilchen betrachtet, die sich auf geraden und nicht mehr gekrümmten Bahnen fortbewegen. Ein steifer statischer Keil repräsentiert eine ausgezeichnete Vorrichtung um solche aktiven Teilchen einzufangen. Die Effizient dieser Falle lässt sich durch den Öffnungswinkel des Keils kontrollieren. Beim industriellen Fischfang werden Netze durch Flüsse, Seen und Meere gezogen. Diese Idee soll nun aufgegriffen werden um Teilchen auf mikroskopischer Größenskala einzufangen. Deswegen ziehen wir den festen Keil durch eine aktive Flüssigkeit und untersuchen sowohl die Fangstadien für viele aktive Teilchen als auch die Wahrscheinlichkeit einen einzelnen Schwimmer einzufangen. Dies hängt sowohl vom Öffnungswinkel des Keils wie auch der Zuggeschwindigkeit (und deren Richtung) ab. In Abhängigkeit der Zuggeschwindigkeit wird der kritische Öffnungswinkel, der noch ein Einfangen eines einzelnen Schwimmers ermöglicht, berechnet werden. In Kapitel 4 wird gezeigt, dass es möglich ist eine gerichtete Bewegung und damit nutzbare kinetische Energie aus einem Bakterienbad zu extrahieren. Dafür wird ein Keil in ein solches Bad eingetaucht, welcher durch die Bakterien entlang der Keilachse transportiert wird. Die zugehörige durch Simulationen erhaltene Effizienz wird durch experimentelle Ergebnisse bestätigt. Die Erklärung für die gerichtete Bewegung des Keils beruht auf dem Konzept der Wirbelabschirmung des Keils. Bakterien zeigen ein kollektives Verhalten, das als bakterielle Turbulenz bezeichnet wird. Diese Turbulenz ist dadurch charakterisiert, dass das Bad eine Vielzahl von Wirbeln aufzeigt, die in unterschiedliche Richtungen rotieren. Diese Wirbel liefern letztendlich die Erklärung, warum die erreichte Transporteffizienz im Bereich der bakteriellen Turbulenz am höchsten ist. Als nächstes betrachten wir in Kapitel \ref{chap:Polymer} ein deformierbares Hindernis in einer aktiven Flüssigkeit. Dieses Hindernis wird eine Kette sein und wie typischerweise ein Polymer als halbstarre Kette modelliert werden. Die statistischen Eigenschaften von Polymeren in einem thermalen Bad sind seit langen bekannt und werden nun hier verglichen mit dem Fall, dass ein solches Polymer einem bakteriellen Bad ausgesetzt ist. Dazu werden sowohl die Länge der Polymerkette wie auch die Konzentration und die Aktivität des Bades variiert werden. Hierbei ist signifikant, dass der End-zu-End-Abstand für kurze Ketten in einer aktiven Flüssigkeit schneller anwächst als im Falle eines thermalen Bads, in dem der Flory-Exponent gilt. Abschließend werden alle Ergebnisse nochmals kurz zusammengefasst und ein Ausblick wird gegeben, welche unbeantworteten Fragen immer noch bleiben, die es in Zukunft jedoch zu beantworten gilt, siehe Kapitel 6. Zusätzlich werden im Anhang die statistischen Eigenschaften der Bewegung von einzelnen aktiven Teilchen, ausgehend vom mittleren Verschiebungsquadrat und höheren Momenten, untersucht. Experimentelle Ergebnisse für künstliche Schwimmer zeigen, dass die verwendete theoretische Modellierung der Schwimmerbewegung, basierend auf den Langevin Gleichungen, in dieser Arbeit gerechtfertigt ist.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	07.01.2015
Dateien geändert am:	07.01.2015
Promotionsantrag am:	21.08.2014
Datum der Promotion:	12.12.2014