Dynamik and Thermodynamik in künstlichen und natürlichen Systemen mit Verzögerung

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Cichos; Professor Dr. Klaus Kroy
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432421051

Aktive Fortbewegung ist eine der wichtigsten Eigenschaften, die lebenden Organismen einen evolutionären Vorteil verschaffen. Doch bereits die Fortbewegungstechniken einfacher Einzeller, wie z. B. Bakterien und Spermien, sind relativ komplex. Ohne vereinfachte Modelle ihrer schlagenden Flagellen und dynamischen Formveränderungen, sind die fundamentalen physikalischen Prinzipien ihrer kollektiven Dynamik schwer zu begreifen. Der experimentelle und technologische Fortschritt der letzten Jahre hat jedoch auch ein breites Arsenal an künstlichen Mikroschwimmern hervorgebracht, die aktiviert und sogar in großer Zahl kontrolliert gesteuert werden können. Wir können diese nun mit immer komplexeren physikalischen und virtuellen Wechselwirkungen ausstatten, die es uns ermöglichen, die in der belebten Welt beobachtete emergente Komplexität in einem Bottom-up-Ansatz nachzubilden. Insbesondere können wir gezielt theoretisch fassbare experimentelle Systeme entwerfen, während idealisierte theoretische Vorhersagen, die interessantes kollektives Verhalten versprechen, das Design der experimentellen Systeme anleiten können. Diese Strategie steht im Mittelpunkt des vorliegenden Antrages, der eine enge Zusammenarbeit zwischen Experiment, analytischer Theorie und Computersimulationen fördern soll. Unser Fokus liegt hauptsächlich auf der Selbstorganisation und dem dynamischen Skalenverhalten wechselwirkender Mikroschwimmer mit und ohne räumlicher Einschränkung, ihren Konformationsentropien und Informationsflüssen, sowie auf in aktiven Medien eingebetteten passiven Sonden. Ein wichtiger innovativer Aspekt wird die systematische Untersuchung der Rolle kontrollierter zeitlicher Verzögerungen in den Wechselwirkungen sein. Das langfristige Ziel ist es, Konzepte und paradigmatische Modellsysteme für eine zunehmend verallgemeinerte und einheitliche dynamische und thermodynamische Beschreibung aktiver Materie zu etablieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Partnerorganisation: Czech Science Foundation
• Kooperationspartner: Dr. Viktor Holubec