Design-Prinzipien für transiente Siebe auf Basis kolloidaler Motoren

• Antragsteller: Professor Dr. Benno Liebchen
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509491635

Während herkömmliche Motoren eine typische Größe von einigen Millimetern bis Metern aufweisen, wurden in den letzten Jahren kolloidale Motoren ("Mikroschwimmer") entwickelt, die ohne bewegliche Komponenten auskommen und gerichtete Bewegungen auf der Mikro- und Nanoskala erzeugen können. Die zentrale Idee dieses Projekts ist es, in Zusammenarbeit mit Projekt A2, diese neuartigen Motoren erstmals zu nutzen, um ein transientes Sieb zu entwerfen, zu realisieren und zu optimieren. Dabei nutzen wir die Tatsache aus, dass die Dynamik kolloidaler Motoren durch externe Felder, wie z.B. raum-zeitlich modulierte Lichtfelder (Laser), gesteuert werden kann. Hiermit lässt sich ein transientes Sieb realisieren, das auf Lichtbarrieren basiert, die dynamisch geöffnet und geschlossen werden können und nur Motoren mit einer geeigneten Größe, Oberflächenmorphologie oder geeigneten angedockten "Frachtteilchen" durchlassen. Dieses Sieb arbeitet außerhalb des Gleichgewichts und weist eine hochselektive Durchlässigkeit auf, die durch die (nichtadiabatisch schnelle) Schaltdynamik der Lichtbarriere gesteuert wird, d. h. das Sieb is transient. Der Schwerpunkt des Projekts B1 liegt auf der Entwicklung eines detaillierten Verständnisses der grundlegenden Bestandteile, die zur Beschreibung und systematischen Kontrolle eines solchen Siebes notwendig sind. Dies betrifft insbesondere den Einfluss von zeitlich schnell veränderlichen äußeren Feldern auf kolloidale Motoren, der bisher wenig erforscht wurde, aber für die Modellierung und Optimierung eines transienten Siebes von zentraler Bedeutung ist. Hierzu spannen wir in B1 den kompletten Bogen von der Entwicklung eines detaillierten Modells, das die gekoppelte Dynamik von kolloidalen Motoren, dem umgebenden Strömungsfeld und dem Temperaturfeld beschreibt, bis hin zu einem effektiven Modell zur Beschreibung der raum-zeitlichen Dynamik der Motoren und etwaiger Frachtpartikel. Diese Entwicklungen nutzen die bisherigen Erfahrungen des Antragstellers bei der Modellierung und Simulation kolloidaler Motoren optimal aus und involvieren Zusammenarbeiten mit den Projekten B2, B3 und B4. Die Ergebnisse dieses Projekts werden auch über TRANSIEVES hinaus relevant sein und unter anderem zu neuen Erkenntnissen zur Steuerung kolloidaler Motoren mit externen zeitabhängigen Feldern führen, als auch zu einer allgemeinen Methode zur Entwicklung repräsentativer reduzierter Modelle für die Bewegung kolloidaler Motoren in externen Feldern.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5584: Transiente Siebe