Wie Hydrodynamik die kollektive Bewegung von Mikroschwimmern beeinflusst: Eine teilchenbasierte Simulationsstudie

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Stark
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254465319

Mikroschwimmer sind Systeme im Nichtgleichgewicht und zeigen eine Vielzahl faszinierender kollektiver Bewegungsmuster, die von Dichtewellen und Konvektionsrollen bis zu Turbulenz reichen. Die kollektive Dynamik von Mikroschwimmern, aktiven Stäbchen und Filamenten wird oft mit Kontinuumstheorien oder mit teilchenbasierten Simulationen modelliert, wo hydrodynamische Flussfelder vernachlässigt werden. In der zweiten Periode des Schwerpunktprogramms werden wir unsere Untersuchung fortsetzen, wie Hydrodynamik die kollektive Bewegung von Mikroschwimmern beeinflusst. Wir werden das parallelisierte Computerprogramm verwenden, das wir in der ersten Periode entwickelt habe und das eine Vielzahl von Modellschwimmern, Squirmer genannt, in der flüssigen Umgebung simuliert, wozu die Simulationstechnik der Vielteilchen-Stoßdynamik (MPCD) eingesetzt wird.Wir werden unsere Untersuchung der kollektiven Dynamik von Mikroschwimmern im Schwerefeld fortsetzen. Dabei konzentrieren wir uns auf die Ausbildung von ,,schwebenden Flößen", die bei aktiven Emulsionen beobachtet werden, wie auch den Effekt eines ausrichtenden Drehmoments (bodenlastige Schwimmer). Hier erwarten wir faszinierende kollektive Muster wie Konvektionsrollen und Schwadenstrukturen, die auch in der Biokonvektion von Mikroorganismen auftreten. Wir werden dann die Squirmer verbinden, um so aktive Stäbe und flexible Filamente zu bilden. Sie ermöglichen uns auszuforschen, wie die volle Hydrodynamik kollektive Muster beeinflusst, wie die bakterielle Turbulenz oder Dichtewellen und die faszinierende Dynamik von Flüssigkristall-Defekten in Systemen dicht gepackter aktiver Biopolymere. Reale Mikroschwimmer bewegen sich üblicherweise in einerviskoelastischen Umgebung. Wir werden daher eine viskoelastische Flüssigkeit in MPCD implementieren und aufzeigen, wie sich die Bewegung einzelner und vieler Squirmer ändert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1726: Mikroschwimmer - Von Einzelpartikelbewegung zu kollektivem Verhalten