Dokument: Microswimmers and microflyers in various complex environments

Titel:	Microswimmers and microflyers in various complex environments
Weiterer Titel:	Mikroschwimmer und Mikroflieger in verschiedenen komplexen Umgebungen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=51830
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20191219-094859-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Jahanshahi, Soudeh [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,31 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 18.12.2019 / geändert 18.12.2019
Beitragende:	Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter] Priv.-Doz. Dr. Ivlev, Alexei [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Active Brownian particles can propel themselves by taking energy from their environment and converting it into mechanical motion while being subject to the fluctuating random kicks of the surrounding medium. The core functionalities of active Brownian particles include transport, sensing, and manipulation. For microscopic active Brownian particles swimming in a Newtonian liquid (microswimmers), viscous forces are dominant and inertial effects are negligible. One of the most popular descriptions of microswimmers is provided by active Brownian motion. Inertia becomes relevant in the dynamics for micron-sized active Brownian particles flying in a gaseous medium (microflyers), where viscous friction becomes such small that the inertial effects get dominant. The dynamics is then coined as active Langevin motion. Using analytical calculations we demonstrate that inertia significantly influences the dynamics of microflyers and enables novel control strategies in active systems. Our theoretical predictions are confirmed by experiments. We also generalize the equations of motion to time-dependent parameters. Assuming a slow power-law time-dependence for these parameters, we predict an anomalous diffusion involving long-time dynamics. we report on the design, experimental realization and characterization of an in-situ adjustable trapping mechanism for microswimmers which does not require any body-forces (or associated torques) and is entirely based on self-propulsion. This force-free trapping mechanism enables controllably transfer of active particles over a potential barrier using the trap as a tweezer. Furthermore, we study the segregation dynamics in a repulsively interacting binary mixture of microswimmers in a triangular-like intensity field using computer simulations and experiments. We observe segregation of microswimmers near the intensity minima while one species is localized close to the minimum (bottom) and the other one is centered around in an outer shell (top). Through attributing an effective heaviness to microswimmers, we define a colloidal Brazil nut effect in analogy to shaken granular matter in gravity. The demixing of the binary mixture exhibits a Brazil nut effect when the particles of the heavier species are floating on the lighter ones. Aktive Brownsche Teilchen können sich selbst antreiben, indem sie Energie aus ihrer Umgebung entnehmen und in mechanische Bewegung umwandeln, während sie zufälligen Stößen mit dem umgebenden Medium ausgesetzt sind. Die Kernfunktionen aktiver Brown'scher Partikel umfassen Transport, Erfassung und Manipulation. Bei mikroskopisch aktiven Brownschen Partikeln, die in einer Newtonschen Flüssigkeit schwimmen (Mikroschwimmer), dominieren viskose Kräfte, und Trägheitseffekte sind vernachlässigbar. Eine der beliebtesten Beschreibungen von Mikroschimmern ist die aktive Brownsche Bewegung. Trägheit wird relevant für die Dynamik von mikrometergroßen aktiven Brownschen Partikeln, die in einem gasförmigen Medium fliegen (Mikroflieger), wobei die viskose Reibung so gering ist, dass die Trägheitseffekte dominieren. Die Dynamik wird dann als aktive Langevin-Bewegung bezeichnet. Anhand analytischer Berechnungen zeigen wir, dass Trägheit die Dynamik von Mikrofliegern maßgeblich beeinflusst und neuartige Kontrollstrategien in aktiven Systemen ermöglicht. Unsere theoretischen Vorhersagen werden durch Experimente bestätigt. Wir verallgemeinern auch die Bewegungsgleichungen auf zeitabhängige Parameter. Unter der Annahme einer langsamen Zeitabhängigkeit für diese Parameter beschrieben durch Potenzgesetze sagen wir anomale Langzeit-Diffusion voraus. Wir berichten über das Design, die experimentelle Realisierung und Charakterisierung eines in-situ einstellbaren Einfangmechanismus für Mikroschwimmer, der keine Körperkräfte (oder damit verbundene Drehmomente) erfordert und vollständig auf den Selbstantrieb basiert. Dieser kraftfreie Einfangmechanismus ermöglicht den kontrollierbaren Transfer von aktiven Partikeln über eine Potentialbarriere unter Verwendung der Falle als Pinzette. Darüber hinaus untersuchen wir die Segregationsdynamik in einer repulsive wechselwirkenden binären Mischung von Mikroschimmern in einem dreieckigen Intensitätsfeld mithilfe von Computersimulationen und Experimenten. Wir beobachten eine Segregation von Mikroschimmern in der Nähe der Intensitätsminima, während sich eine Art in der Nähe des Minimums (unten) und die andere sich um diese zentriert in einer äußeren Schale (oben) befindet. Indem wir Mikroschimmern eine effektive Schwere zuschreiben, definieren wir einen kolloidalen Paranuss-Effekt in Analogie zu geschüttelter granularer Materie unter Gravitation. Das Entmischen der binären Mischung zeigt einen Paranuss-Effekt, wenn die Partikel der schwereren Spezies auf den leichteren schwimmen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	19.12.2019
Dateien geändert am:	19.12.2019
Promotionsantrag am:	22.10.2019
Datum der Promotion:	09.12.2019