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Projekt
Kooperative Eigenschaften von thermophoretischen Mikroschwimmern
Antragstellerin
Dr. Marisol Ripoll
Fachliche Zuordnung
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Förderung
Förderung von 2014 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255110239
Synthetische Mikroschwimmer, die biologischen Systemen nachempfunden werden, sind von wachsender Bedeutung für die Entwicklung neuer technologischer Anwendungen, z. B. für sogenannte Lab-on-a-chip-Systeme. Autophoretische Antriebsmechanismen haben sich als besonders effektiv erwiesen und stellen daher eine vielversprechende Designstrategie für künstliche Mikroschwimmer dar. Thermophoretische Schwimmer nutzen inhomogene Temperaturverteilungen auf ihrer Oberfläche aus, um sich mittels des erzeugten Temperaturgradienten fortzubewegen. Verschiedene funktionale Simulationsmodelle für Mikroschwimmer wurden entwickelt, insbesondere Mikrodimere, Janus-Kolloide und Mikrozahnräder. Von besonderem Interesse sind die Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche eines Mikroschwimmers und dem Lösungsmittel, da diese den thermophilen bzw. thermophoben Charakter der phoretischen Antriebskräfte bestimmen und damit das Schwimmverhalten beeinflussen. So wurde gezeigt, dass ein thermophiles Mikrodimer sich wie ein "Pusher" verhält, bei dem das laterale Strömungsfeld anziehend wirkt. Umgekehrt verhalten sich thermophobe Mikro-Dimere wie "Puller" und erzeugen ein abstoßendes laterales Strömungsfeld. Im Gegensatz dazu zeigen Janus-Schwimmer sowohl eine Vorwärts- wie Rückwärtsbewegung, und eine anziehende oder abstoßende Wechselwirkung wird durch den phoretischen Charakter des Schwimmers induziert. Das Verhalten mehrerer thermophoretischer Schwimmer wird bestimmt durch das Zusammenspiel von hydrodynamischen Wechselwirkungen, phoretischen Kräften und anderen Wechselwirkungen wie elektrostatischen oder "Depletion"-Kräften. Das Zusammenwirken dieser verschiedenen Mechanismen und die sich daraus ergebenden Effekte sind noch weitgehend unerforscht. Das Hauptziel dieses Projekts ist die Untersuchung der kollektiven Eigenschaften von Mikroschwimmern, und von Mischungen aus Schwimmern und passiven Teilchen in Lösung. Vorrangig soll dies anhand von Janus-Kolloiden und Mikro-Dimeren erforscht werden. Darauf aufbauend sollen andere Formen wie Stäbchen oder andere asymmetrische Objekte untersucht werden. Wichtige Phänomene, die wir erwarten, sind "Cluster"- und Schwarmbildung. Es soll untersucht werden, unter welchen Bedingungen sich solche selbst-organisierenden Strukturen bilden und stabil bleiben. Ein Beispiel für ein Phänomen mit potenziell weitreichenden Anwendungen, ist die Anordnung von Schwimmern um ein passives, phoretisches Teilchen, das den effizienten Transport von Wirkstoffen an einen Zielort erlaubten würde.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
