Dokument: Dynamics of self-propelled particles: inertial effects, orientation-dependent motilities, and complex environments

Titel:	Dynamics of self-propelled particles: inertial effects, orientation-dependent motilities, and complex environments
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=63372
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20230816-104640-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Sprenger, Alexander Ralf [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 17,35 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.08.2023 / geändert 09.08.2023
Beitragende:	Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter] Jun.-Prof. Dr. Wittkowski, Raphael [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	The study of active matter reveals significant insight into the physics of motile living organisms and motivates the engineering of synthetic micro-robots, which hold promising applications in areas like health care and material science. Examples of active matter can be found all around us - from the microscopic up to the macroscopic scale - including molecular motors, bacteria, algae, insects like ants or locusts, and even larger animals such as birds and fish. Those entities operate under non-equilibrium conditions by using the available energy of their environment to move persistently or exert forces on the surrounding medium. In this dissertation, we study the influence of the particle's inertia, an anisotropic or viscoelastic environment, and possible geometric confinement on the dynamics of a single active particle. Understanding the underlying physics at a single-particle level constitutes the crucial first step before advancing to more complicated many-particle systems. The bulk of this dissertation is based on the seminal active Brownian particle (ABP) model and discusses several generalizations. We first examine the overdamped dynamics of particles that move with orientation-dependent motility, using experiments on controlled active colloids and the theory of active Brownian motion. The study yields a method for engineering complex anisotropic motilities with potential applications in microswimmer navigation and provides a theoretical framework for self-propelled particles in anisotropic environments. While many experiments on active particles are performed with a Newtonian background fluid, in many in-vivo situations, microorganisms move through more complex environments. To account for this, we create a theoretical framework for ABPs in a viscoelastic environment. We use time-dependent friction kernels to represent the delayed response of the medium and find a memory-induced delay between the effective self-propulsion force and particle orientation. Similar memory effects occur for self-propelled objects large enough to exhibit inertial effects. We explicitly discuss time-dependent mass and moment of inertia and propose specific equations of motion depending on the physical origin of the change in inertia. This situation is relevant in various systems, from mini-rockets to dust particles in plasma and walkers with limited activity. We also analyze different mass ejection strategies to maximize the reach of the Langevin rocket, which we define by including orientational fluctuations in the traditional Tsiolkovsky rocket equation. Next, the work examines the combined effect of particle inertia and orientation-dependent motility in a system of active vibrobots on a striated substrate. The results show anisotropic movement at different time scales, explained by an extension of the ABP model that includes orientation-dependent motility and inertial effects. The model can be applied to n-fold symmetric anisotropy and used to predict the dynamics of active matter in complex environments. The quantitative comparison between experimental data and theoretical predictions relies on the correct determination of input parameters. In a technical study, we discuss several fitting schemes for an ABP's mean-squared displacement with improved parameter estimation. Whilst the ABP model is arguably the most prominent one, it shares considerable similarities with the mathematically more accessible active Ornstein-Uhlenbeck particle (AOUP) model. We elucidate the similarities and differences by introducing a parental active model (PAM) which accommodates these two paradigms as decedents. Next, we apply the advantageous Ornstein-Uhlenbeck approach to the modeling of inertial self-propelled particles. Thus, we introduce an inertial AOUP model which accounts for both translational and rotational inertia. This new model captures the key features of the established inertial ABP model. The two models generally predict similar dynamics up to moderate moment of inertia. In the final section of this dissertation, we investigate hydrodynamic flow fields in close proximity to boundaries and the resulting hydrodynamic interaction on both active and passive particles. Our work provides a theoretical framework for understanding the motion of active particles in viscous drops, with or without surfactants. These findings have potential applications in the control of active matter systems and the use of synthetic microswimmers for targeted drug delivery. Moreover, we investigate the Stokes flow between two rigid disks generated by a Stokeslet or rotlet and the consequent effect of the disks on particle mobility. These systems may have potential applications in micromixing and the creation of microparticle-based sensors. Das Studium der aktiven Materie offenbart bedeutende Einblicke in die Physik beweglicher lebender Organismen und motiviert die Entwicklung synthetischer Mikroroboter, welche Anwendungen in Bereichen wie dem Gesundheitswesen und den Materialwissenschaften versprechen. Beispiele für aktive Materie lassen sich überall um uns herum finden - von der mikroskopischen bis zur makroskopischen Skala - einschließlich molekularer Motoren, Bakterien, Algen, Insekten wie Ameisen oder Heuschrecken und sogar größerer Tiere wie Vögel und Fische. Diese Wesen operieren unter Nichtgleichgewichtsbedingungen, indem sie die verfügbare Energie ihrer Umgebung nutzen, um sich persistent zu bewegen oder Kräfte auf das umgebende Medium auszuüben. In dieser Arbeit untersuchen wir den Einfluss der Trägheit des Teilchens, einer anisotropen oder viskoelastischen Umgebung und möglicher geometrischer Begrenzungen auf die Dynamik eines einzelnen aktiven Teilchens. Das Verständnis der zugrunde liegenden Physik für ein einzelnes Teilchen stellt den entscheidenden ersten Schritt dar, bevor man sich komplizierteren Vielteilchensystemen zuwendet. Der Großteil dieser Arbeit basiert auf dem wegweisenden Active Brownian Particle (ABP) Modells und diskutiert mehrere Verallgemeinerungen. Zunächst untersuchen wir die überdämpfte Dynamik von Teilchen, die sich mit orientierungsabhängiger Motilität bewegen, unter Verwendung von Experimenten an kontrollierten aktiven Kolloiden und der Theorie der aktiven Brownschen Bewegung. Die Studie liefert eine Methode zur Konstruktion komplexer anisotroper Motilitäten mit potenziellen Anwendungen in der Navigation von Mikroschwimmern und bietet gleichzeitig einen theoretischen Rahmen für selbstangetriebene Teilchen in anisotropen Umgebungen. Während viele Experimente an aktiven Teilchen mit einem newtonschen Hintergrundfluid durchgeführt werden, bewegen sich Mikroorganismen in vivo durch komplexere Umgebungen. Um dies zu berücksichtigen, schaffen wir einen theoretischen Rahmen für ABPs in einer viskoelastischen Umgebung. Wir verwenden zeitabhängige Reibungskerne, um die verzögerte Reaktion des Mediums zu beschreiben, und finden eine gedächtnisinduzierte Verzögerung zwischen der effektiven Selbstantriebskraft und der Partikelorientierung. Ähnliche Gedächtniseffekte treten bei selbstangetriebenen Objekten auf, die groß genug sind, um Trägheitseffekte zu zeigen. Wir diskutieren explizit zeitabhängige Massen und Trägheitsmomente und schlagen spezifische Bewegungsgleichungen in Abhängigkeit vom physikalischen Ursprung der Trägheitsänderung vor. Diese Situation ist in verschiedenen Systemen relevant, von Miniaturraketen über Staubpartikel in Plasma bis hin zu Walkern mit begrenzter Aktivität. Wir analysieren ebenfalls verschiedene Massenausstoßstrategien um die Reichweite einer Langevin-Rakete zu maximieren, die wir definieren, indem wir Orientierungsfluktuationen in die traditionelle Tsiolkovsky-Raketengleichung miteinbeziehen. Als nächstes betrachten wir die kombinierte Wirkung von Teilchenträgheit und orientierungsabhängiger Motilität in einem System aktiver Vibrobots auf einem gestreiften Substrat. Die Auswertung zeigt anisotrope Bewegung auf verschiedenen Zeitskalen, die durch eine Erweiterung des ABP-Modells erklärt wird das orientierungsabhängige Motilität und Trägheitseffekte umfasst. Das Modell kann auf $n$-fache rotationssymmetrische Anisotropie angewendet werden und zur Vorhersage der Dynamik aktiver Materie in komplexen Umgebungen verwendet werden. Der quantitative Vergleich zwischen experimentellen Daten und theoretischen Vorhersagen beruht auf der korrekten Bestimmung der Modellparameter. In einer technischen Studie diskutieren wir mehrere Fitting-Methoden für die mittlere quadratische Verschiebung eines ABPs mit verbesserter Parameterbestimmung. Obwohl das ABP-Modell zweifellos das bekannteste ist, teilt es beträchtliche Ähnlichkeiten mit dem mathematisch zugänglicheren Active Ornstein-Uhlenbeck Particle (AOUP) Modell. Wir verdeutlichen die Gemeinsamkeiten und Unterschiede, indem wir ein Parental Active Modell (PAM) einführen, dass diese beiden Paradigmen als Spezialfälle berücksichtigt. Als nächstes wenden wir den vorteilhaften Ornstein-Uhlenbeck-Ansatz auf die Modellierung von trägheitsbehafteten selbstangetriebenen Teilchen an. Wir stellen daher ein trägheitsbehaftetes AOUP-Modell vor, das sowohl die Translations- als auch die Rotationsträgheit berücksichtigt. Dieses neue Modell erfasst die wichtigsten Merkmale des etablierten trägheitsbehafteten ABP-Modells. Die beiden Modelle sagen im Allgemeinen ähnliche Dynamiken bis hin zu moderatem Trägheitsmoment voraus. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit untersuchen wir die hydrodynamischen Strömungsfelder in unmittelbarer Nähe zu Grenzflächen und die daraus resultierende hydrodynamische Wechselwirkung an aktiven und passiven Teilchen. Unsere Arbeit bietet einen theoretischen Rahmen für das Verständnis der Bewegung aktiver Teilchen in viskosen Tropfen, mit oder ohne Tenside. Diese Erkenntnisse haben potenzielle Anwendungen bei der Kontrolle von Systemen aktiver Materie und der Verwendung synthetischer Mikroschwimmer für zielgerichtete Arzneifreisetzung. Darüber hinaus untersuchen wir die Stokes-Strömung zwischen zwei starren Scheiben, die durch einen Stokeslet oder Rotlet erzeugt wird, und den daraus resultierenden Effekt der Scheiben auf die Teilchenmobilität. Diese Systeme können potenzielle Anwendungen beim Mikromischen und der Herstellung von mikropartikelbasierten Sensoren haben.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	16.08.2023
Dateien geändert am:	16.08.2023
Promotionsantrag am:	20.04.2023
Datum der Promotion:	21.07.2023