Kooperatives Verhalten von Mikroschwimmern: Der Einfluss ionischer und reaktiver Abschirmung auf die hydrodynamischen Wechselwirkungen in komplexen Fluiden

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Holm
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254456455

In diesem Projekt werden wir mit Hilfe von Simulationen die Auswirkungen untersuchen, die elektrostatische und reaktive Abschirmung auf die kollektive Dynamik chemisch getriebener Mikroschwimmer in komplexen und insbesondere in viskoelastischen Flüssigkeiten haben. Das Ziel ist, ein besseres Verständnis des Wechselspiels von Kontakt-, (elasto-)hydrodynamischer und phoretischer (chemischer) Wechselwirkung der Schwimmer zu gewinnen. Diese liegen dem kooperativen Verhalten zugrunde, welches in einer Vielzahl experimentell realisierter Systeme beobachtet wurde. Beispielsweise könnte ein besseres Verständnis der Antriebsmechanismen von chemischen Modellsystemen, wie sie in letzter Zeit vielfach experimentell untersucht wurden, Einblicke in die Prozesse geben, die es Bakterien erlauben, die viskoelastische Schutzschicht unserer Organe zu durchdringen. Unser Projekt soll zum Verständnis beitragen, indem es die verfügbaren Modellsysteme aus einer grundlegenderen Perspektive heraus untersucht.Wir haben jüngst selbstelektrophoretische Systeme betrachtet, beispielsweise Janus-Kolloide in Wasserstoffperoxid-Lösung. Bei diesen konnten wir theoretisch zeigen, dass ihr Selbstantrieb stark von ionischen Reaktionen in der Lösung beeinflusst wird, die eine reaktive Abschirmung verursachen. Wir planen, die Ergebnisse, die wir bereits für einzelne Teilchen erlangt haben, auf die kollektive Dynamik solcher Systeme ausdehnen. Um dies zu erreichen, modellieren wir die aktiven Teilchen mit dem Gitter-Elektrokinetik-Algorithmus (Gitter-EK), den wir in der vergangenen Finanzierungsperiode entwickelt haben. Gitter-EK nutzt die Recheneffizienz des Gitter-Boltzmann-Algorithmus (LB) für Hydrodynamik aus und kombiniert diesen mit numerischen Lösern für chemische Konzentrationsfelder und elektrische Felder. Die Effizienz dieser Löser gestattet es uns, die Wechselwirkung zwischen vielen chemischen Schwimmern zu simulieren und so zu untersuchen, wie deren kollektive Dynamik zustande kommt. Gleichzeitig gibt uns diese Methode die vollständige Kontrolle über alle Parameter, die in dem Modell enthalten sind. Unser Gitter-EK ist auf dem neuesten Stand der Technik, weil er die Fähigkeit besitzt, bewegte Randbedingungen für geladene Systeme zu simulieren, was bislang einzigartig für diese Art von Algorithmus ist.Unsere Strategie für diese SPP-Finanzierungsperiode besteht darin, weitere Verbesserungen am Gitter-EK vorzunehmen, um die Untersuchung von kollektiver Bewegung zu erleichtern und um die relevante Physik besser abzubilden. Dies beinhaltet Gitter-Verfeinerung und Benetzungskorrekturen sowie die Vereinigung von Gitter-EK und viskoelastischen LB-Methoden. Gleichzeitig wollen wir unsere Software benutzen, um eine Reihe von Systemen systematisch zu untersuchen, die unsere SPP-Kollaborateure experimentell realisiert haben. Wir hoffen, dadurch die Schlüsseleigenschaften besser zu verstehen, die das komplexe Nichtgleichgewichtsverhalten verursachen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1726: Mikroschwimmer - Von Einzelpartikelbewegung zu kollektivem Verhalten
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Dr. Joost de Graaf