Steuerung der Dynamik aktiver kolloidaler Flüssigkristalle durch externe Felder
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt befasste sich überwiegend mit dem Verhalten von aktiven kolloidalen Teilchen, d.h. sich bewegenden Mikroteilchen wie selbst-angetriebenen Mikroorganismen oder Mikrorobotern, und dem Einfluss äußerer Felder auf sie. Es befasste sich sowohl mit dem Verhalten einzelner Teilchen als auch mit den Eigenschaften von Systemen vieler miteinander wechselwirkender Teilchen. Bei letzteren handelt es sich um aktive Materialien wie aktive kolloidale Flüssigkristalle. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf durch Schall angetriebenen Mikroteilchen. Aktive Teilchen mit orientierungsabhängiger Motilität und Trägheit sowie Mischungen verschiedener Arten von Teilchen wurden ebenfalls berücksichtigt. Das Projekt hat sich sehr gut entwickelt. Es führte zu vielen neuen Ergebnissen, die deutlich über die ursprünglichen Ziele des Projekts hinausgingen. Zum Beispiel führte es zu vielen neuen Erkenntnissen über die grundlegenden Eigenschaften durch Schall angetriebener Mikroteilchen und zur Entwicklung einer harmlosen und medizinisch relevanten Methode, die es ermöglicht, durch Schall angetriebene Mikroteilchen gemeinsam zu einem Ziel zu navigieren (z.B. für zielgerichteten Wirkstofftransport). Weitere Ergebnisse in Bezug auf Systeme aktiver Materie sind die Herleitung vieler neuer Feldtheorien, die Beobachtung neuer Phänomene und Effekte, ein neuer Ansatz für programmierbare Dichtemuster, ein verallgemeinertes barometrisches Gesetz und vollständige Paarverteilungsfunktionen mit Translations- und Rotationsfreiheitsgraden. Das Projekt umfasste auch die Untersuchung von aktiven Kristallen und kolloidalen Flüssigkristallen, die Entwicklung von refraktiven durch Licht angetriebenen Mikroteilchen als eine neue Art künstlicher aktiver Mikroteilchen und die Weiterentwicklung wichtiger Methoden der Statistischen Physik. Darüber hinaus trug das Projekt neue Ergebnisse zu anderen Bereichen wie Hydrodynamik, Biophysik, Epidemiologie, Quantenphysik und Kosmologie bei. Dieses Projekt führte zu 47 Veröffentlichungen, darunter 4 Übersichtsartikel und 1 Patentanmeldung. Unter den Veröffentlichungen sind 7 Artikel, die in hochrangigen Fachzeitschriften erschienen sind. Die Veröffentlichungen wurden bereits häufig zitiert und führten zu vielen Pressemeldungen. Das Projekt führte auch zu mehreren Auszeichnungen und weiteren Drittmittelbewilligungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Helical paths, gravitaxis, and separation phenomena for mass-anisotropic self-propelling colloids: Experiment versus theory. The Journal of Chemical Physics, 147(8).
Campbell, Andrew I.; Wittkowski, Raphael; ten Hagen, Borge; Löwen, Hartmut & Ebbens, Stephen J.
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Nonequilibrium dynamics of mixtures of active and passive colloidal particles. New Journal of Physics, 19(10), 105003.
Wittkowski, Raphael; Stenhammar, Joakim & Cates, Michael E.
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Active crystals on a sphere. Physical Review E, 97(5).
Praetorius, Simon; Voigt, Axel; Wittkowski, Raphael & Löwen, Hartmut
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Hydrodynamic resistance matrices of colloidal particles with various shapes.
J. Voß & R. Wittkowski
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Liquid crystals of hard rectangles on flat and cylindrical manifolds. Physical Chemistry Chemical Physics, 20(7), 5285-5294.
Sitta, Christoph E.; Smallenburg, Frank; Wittkowski, Raphael & Löwen, Hartmut
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abp.spherical2d.pairdistribution – Python module that provides a function for the product of the full pair-distribution function and the interparticle force for a homogeneous suspension of spherical active Brownian particles interacting by a Weeks-Chandler-Andersen potential in two spatial dimensions. Accompanying article: J. Jeggle, J. Stenhammar, and R. Wittkowski, Journal of Chemical Physics 152, 194903 (2020).
J. Jeggle; J. Stenhammar & R. Wittkowski
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HydResMat – FEM-based code for calculating the hydrodynamic resistance matrix of an arbitrarily-shaped colloidal particle. Accompanying article: J. Voß and R. Wittkowski
J. Voß; J. Jeggle & R. Wittkowski
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Mori-Zwanzig projection operator formalism for far-from-equilibrium systems with time-dependent Hamiltonians. Physical Review E, 99(6).
te Vrugt, Michael & Wittkowski, Raphael
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Active Brownian Motion with Orientation-Dependent Motility: Theory and Experiments. Langmuir, 36(25), 7066-7073.
Sprenger, Alexander R.; Fernandez-Rodriguez, Miguel Angel; Alvarez, Laura; Isa, Lucio; Wittkowski, Raphael & Löwen, Hartmut
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Classical dynamical density functional theory: from fundamentals to applications. Advances in Physics, 69(2), 121-247.
te Vrugt, Michael; Löwen, Hartmut & Wittkowski, Raphael
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Collective dynamics of active Brownian particles in three spatial dimensions: A predictive field theory. Physical Review Research, 2(3).
Bickmann, Jens & Wittkowski, Raphael
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Effects of social distancing and isolation on epidemic spreading modeled via dynamical density functional theory. Nature Communications, 11(1).
te Vrugt, Michael; Bickmann, Jens & Wittkowski, Raphael
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Eine Fiktion wird Forschungsziel, university newspaper “wissen|leben" no. 7, p. 6, edition November/December (2018)
R. Wittkowski
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On the shape-dependent propulsion of nano- and microparticles by traveling ultrasound waves. Nanoscale Advances, 2(9), 3890-3899.
Voß, Johannes & Wittkowski, Raphael
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Orientational Order Parameters for Arbitrary Quantum Systems. Annalen der Physik, 532(12).
te Vrugt, Michael & Wittkowski, Raphael
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Pair-distribution function of active Brownian spheres in two spatial dimensions: Simulation results and analytic representation. The Journal of Chemical Physics, 152(19).
Jeggle, Julian; Stenhammar, Joakim & Wittkowski, Raphael
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Predictive local field theory for interacting active Brownian spheres in two spatial dimensions. Journal of Physics: Condensed Matter, 32(21), 214001.
Bickmann, Jens & Wittkowski, Raphael
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Projection operators in statistical mechanics: a pedagogical approach. European Journal of Physics, 41(4), 045101.
Vrugt, Michael te & Wittkowski, Raphael
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Relations between angular and Cartesian orientational expansions. AIP Advances, 10(3).
te Vrugt, Michael & Wittkowski, Raphael
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Containing a pandemic: nonpharmaceutical interventions and the ‘second wave’. Journal of Physics Communications, 5(5), 055008.
te Vrugt, Michael; Bickmann, Jens & Wittkowski, Raphael
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Jerky active matter: a phase field crystal model with translational and orientational memory. New Journal of Physics, 23(6), 063023.
te Vrugt, Michael; Jeggle, Julian & Wittkowski, Raphael
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Master equations for Wigner functions with spontaneous collapse and their relation to thermodynamic irreversibility. Journal of Computational Electronics, 20(6), 2209-2231.
te Vrugt, Michael; Tóth, Gyula I. & Wittkowski, Raphael
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Mori-Zwanzig Formalism for General Relativity: A New Approach to the Averaging Problem. Physical Review Letters, 127(23).
te Vrugt, Michael; Hossenfelder, Sabine & Wittkowski, Raphael
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Acoustic Propulsion of Nano- and Microcones: Dependence on the Viscosity of the Surrounding Fluid. Langmuir, 38(35), 10736-10748.
Voß, Johannes & Wittkowski, Raphael
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Acoustically propelled nano- and microcones: fast forward and backward motion. Nanoscale Advances, 4(1), 281-293.
Voß, Johannes & Wittkowski, Raphael
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Analytical approach to chiral active systems: Suppressed phase separation of interacting Brownian circle swimmers. The Journal of Chemical Physics, 156(19).
Bickmann, Jens; Bröker, Stephan; Jeggle, Julian & Wittkowski, Raphael
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ASEVis: Visual Exploration of Active System Ensembles to Define Characteristic Measures. 2022 IEEE Visualization and Visual Analytics (VIS), 150-154.
Evers, Marina; Wittkowski, Raphael & Linsen, Lars
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ASEVis: Visual Exploration of Active System Ensembles to Define Characteristic Measures. 2022 IEEE Visualization and Visual Analytics (VIS), 150-154.
Evers, Marina; Wittkowski, Raphael & Linsen, Lars
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Collective guiding of acoustically propelled nano- and microparticles. Nanoscale Advances, 4(13), 2844-2856.
Nitschke, Tobias; Stenhammar, Joakim & Wittkowski, Raphael
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Derivation and analysis of a phase field crystal model for a mixture of active and passive particles. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 30(8), 084001.
Vrugt, Michael te; Holl, Max Philipp; Koch, Aron; Wittkowski, Raphael & Thiele, Uwe
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Orientation-Dependent Propulsion of Triangular Nano- and Microparticles by a Traveling Ultrasound Wave. ACS Nano, 16(3), 3604-3612.
Voß, Johannes & Wittkowski, Raphael
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Perspective: New directions in dynamical density functional theory. Journal of Physics: Condensed Matter, 35(4), 041501.
te Vrugt, Michael & Wittkowski, Raphael
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Pressure Drives Rapid Burst‐Like Coordinated Cellular Motion from 3D Cancer Aggregates. Advanced Science, 9(6).
Raghuraman, Swetha; Schubert, Ann‐Sophie; Bröker, Stephan; Jurado, Alejandro; Müller, Annika; Brandt, Matthias; Vos, Bart E.; Hofemeier, Arne D.; Abbasi, Fatemeh; Stehling, Martin; Wittkowski, Raphael; Ivaska, Johanna & Betz, Timo
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Propulsion of bullet- and cup-shaped nano- and microparticles by traveling ultrasound waves. Physics of Fluids, 34(5).
Voß, Johannes & Wittkowski, Raphael
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Topological fine structure of smectic grain boundaries and tetratic disclination lines within three-dimensional smectic liquid crystals. Physical Chemistry Chemical Physics, 24(26), 15691-15704.
Monderkamp, Paul A.; Wittmann, René; te Vrugt, Michael; Voigt, Axel; Wittkowski, Raphael & Löwen, Hartmut
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abp.ellipsoidal2d.pairdistribution – Python module that provides a function for the full pair-distribution function for a homogeneous suspension of ellipsoidal active Brownian particles interacting by a Gay-Berne potential in two spatial dimensions. Accompanying article: S. Bröker, M. te Vrugt, and R. Wittkowski
S. Bröker; M. te Vrugt & R. Wittkowski
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Acoustic propulsion of nano- and microcones: dependence on particle size, acoustic energy density, and sound frequency.
J. Voß & R. Wittkowski
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Active Brownian particles in external force fields: Field-theoretical models, generalized barometric law, and programmable density patterns. Physical Review E, 108(4).
Bickmann, Jens; Bröker, Stephan; te Vrugt, Michael & Wittkowski, Raphael
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An acoustically controlled helical microrobot. Science Advances, 9(38).
Deng, Yong; Paskert, Adrian; Zhang, Zhiyuan; Wittkowski, Raphael & Ahmed, Daniel
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An active colloidal system showing parallels to a time crystal. Physica Scripta, 98(12), 125240.
Evers, Marina & Wittkowski, Raphael
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Dependence of the acoustic propulsion of nano- and microcones on their orientation and aspect ratio. Scientific Reports, 13(1).
Voß, Johannes & Wittkowski, Raphael
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How to derive a predictive field theory for active Brownian particles: a step-by-step tutorial. Journal of Physics: Condensed Matter, 35(31), 313001.
Vrugt, Michael te; Bickmann, Jens & Wittkowski, Raphael
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Inertial self-propelled particles in anisotropic environments. Communications Physics, 6(1).
Sprenger, Alexander R.; Scholz, Christian; Ldov, Anton; Wittkowski, Raphael & Löwen, Hartmut
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Orientation-Dependent Propulsion of Active Brownian Spheres: From Self-Advection to Programmable Cluster Shapes. Physical Review Letters, 131(16).
Bröker, Stephan; Bickmann, Jens; te Vrugt, Michael; Cates, Michael E. & Wittkowski, Raphael
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Ultrasound-propelled nano- and microspinners.
J. Voß & R. Wittkowski
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Collective dynamics and pair-distribution function of active Brownian ellipsoids in two spatial dimensions. Communications Physics, 7(1).
Bröker, Stephan; te Vrugt, Michael & Wittkowski, Raphael
