Modulare phoretische Mikroschwimmer: von einzelnen minimalen Schwimmern zu vielkomponentigen Schwärmen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Palberg
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254833198

In diesem Projekt untersuchen werden modulare phoretische Mikroschwimmer und damit eng verwandte Phänomene untersucht. Modulare Mikroschwimmer finden sich spontan aus inaktiven Komponenten zusammen, zeigen eine gerichtete Bewegung und erlauben den Transport von Lasten. Unser modularer Ansatz zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus, die es erlaubt die einzelnen Komponenten individuell zu kombinieren bzw. zu modifizieren und damit das Gesamtverhalten gezielt zu optimieren. Bisherige videomikroskopische Experimente im Realraum waren auf quasi zweidimensionale Situationen beschränkt, wie sie bei langsamen und moderaten Geschwindigkeiten des Lösungsmittels auftreten. Unter diesen Bedingungen haben wir bisher elektro-osmotisches Pumpen, minimale modulare Schwimmer und Schwarmbildung untersucht. Die kontrollierte Variation experimenteller Randbedingungen erlaubte die Beobachtung einer vielfältigen Phänomenologie sowie eine systematische Quantifizierung des Pump-, Schwimm- und Schwarmverhaltens. Auf dieser belastbaren Datenbasis konnte in enger Zusammenarbeit mit theoretischen Projekten im SPP eine erste qualitative Modellierung der beobachteten Phänomene erreicht werden. In der zweiten Förderperiode wollen wir diese Arbeiten fortführen und auf Situationen ausdehnen, in denen hohe Lösungsmittelgeschwindigkeiten auftreten. Hierzu soll ein holografisches Experiment realisiert werden, mit dem die Bewegungen aller beteiligter Komponenten inklusive des Lösungsmittels in drei Dimensionen verfolgt werden kann. Einerseits ermöglicht dies die Entwicklung einer quantitative Beschreibung minimalen Schwimmens unter Einschluss komplexerer Situationen, wie etwa des Bergab-Schwimmen. Andererseits werden eine ganze Reihe neuartiger Situationen auch im Detail zugänglich. Hierzu zählen Hochflussphänomene, wie Mehrlagenschwärme, aber auch die Bildung dreidimensionaler Konvektionsstrukturen in Multikomponentenschwärmen. Auch zur Implementierung einer kontrollierten Steuerung auf der Basis eines qualitativen Verständnisses ist eine dreidimensionale Betrachtung sehr wichtig. Wie bisher sollen auch die Hochflussphänomenologie und die neuartigen Schwimmertypen umfassend dokumentiert und systematisch charakterisiert werden. Auf dieser Datenbasis kann dann die Kollaboration mit theoretisch arbeitenden Projekten fortgeführt und erweitert werden, um langfristig zu einem detaillierten Verständnis modularen Mikroschwimmens und verwandter Phänomene zu gelangen.

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