Theorie und Simulationen von aktiven Brownschen Systemen

• Antragsteller: Professor Abhinav Sharma, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 440884972

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Bewegung ist ein grundlegendes Merkmal des Lebens, das es Organismen ermöglicht, sich in vorteilhaftere Umgebungen zu bewegen und Nahrung zu finden. Verschiedene biologische Systeme, von molekularen Motoren in Zellen bis hin zu Vogelschwärmen, fallen unter die Kategorie der aktiven Materie. In diesen Systemen wandeln einzelne Komponenten Energie in gerichtete Bewegung um und treiben sich selbst voran. Dieses Prinzip gilt nicht nur für biologische Systeme, sondern auch für synthetische aktive Materie, die aus selbstangetriebenen Partikeln besteht, die in Laboren hergestellt werden. Diese Partikel, die typischerweise kolloidale Größen haben, bewegen sich durch Selbstphorese und operieren in Umgebungen mit niedrigen Reynolds-Zahlen, in denen die Partikelgröße unter einigen Mikrometern liegt. Die Modelle, die verwendet werden, um ihre Bewegung zu beschreiben, erweitern das Konzept der Brownschen Bewegung und berücksichtigen dabei nicht-gleichgewichtsdynamische Zustände. Ziel dieses Projekts ist es, zu untersuchen, wie das Verhalten synthetischer aktiver Partikel, insbesondere ihre bevorzugte Ansammlung, durch einfache Designprinzipien gesteuert werden kann. In vielen Fällen ist die Geschwindigkeit der Fortbewegung dieser Partikel im Raum nicht gleichmäßig verteilt, was bedeutet, dass sie in einigen Bereichen schneller schwimmen als in anderen. Ein zentrales Anliegen ist es, zu verstehen, wie ein einzelnes aktives Partikel oder mehrere durch ein Potenzial verbundene Partikel auf solche räumlichen Variationen in der Aktivität reagieren. Es wird allgemein beobachtet, dass ein aktives Partikel ohne Lenkmechanismus dazu neigt, sich länger in Bereichen aufzuhalten, in denen es sich langsamer bewegt. Jedoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass es sich in aktivere Bereiche bewegt, höher als die Wahrscheinlichkeit, dass es in weniger aktive Bereiche driftet. Darüber hinaus hängt das kollektive Verhalten aktiver Partikel, wenn sie mit passiven „Cargo“-Partikeln verbunden, in kettenartige Polymere angeordnet oder an andere aktive Partikel gebunden sind, von mehreren Faktoren ab. Dazu gehören die Reibung der Frachtpartikel, die Anzahl der Monomere im Polymer und die Orientierung der aktiven Partikel. Abhängig von diesen Variablen können sich die Partikel entweder in Bereichen hoher oder niedriger Aktivität ansammeln. Zusätzlich, wenn die Aktivität sowohl räumlich als auch zeitlich variiert, kann ein stetiger Drift aktiver Partikel auftreten. Dies ermöglicht die Positionierung der Partikel basierend auf ihrer Größe, selbst in Abwesenheit einer direkten Kopplung zwischen der Fortbewegungsrichtung und dem Aktivitätsgradienten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Lorentz forces induce inhomogeneity and flux in active systems. Physical Review Research, 2(1).
  Vuijk, H. D.; Sommer, J. U.; Merlitz, H.; Brader, J. M. & Sharma, A.
  
• Pseudo-chemotaxis of active Brownian particles competing for food. PLOS ONE, 15(4), e0230873.
  Merlitz, Holger; Vuijk, Hidde D.; Wittmann, René; Sharma, Abhinav & Sommer, Jens-Uwe
  
• Chemotaxis of Cargo-Carrying Self-Propelled Particles. Physical Review Letters, 126(20).
  Vuijk, Hidde D.; Merlitz, Holger; Lang, Michael; Sharma, Abhinav & Sommer, Jens-Uwe
  
• Stochastic resetting of active Brownian particles with Lorentz force. Soft Matter, 17(5), 1307-1316.
  Abdoli, Iman & Sharma, Abhinav
  
• Active chiral molecules in activity gradients. The Journal of Chemical Physics, 157(13).
  Muzzeddu, Pietro Luigi; Vuijk, Hidde Derk; Löwen, Hartmut; Sommer, Jens-Uwe & Sharma, Abhinav
  
• Active colloidal molecules in activity gradients. Physical Review E, 106(1).
  Vuijk, Hidde D.; Klempahn, Sophie; Merlitz, Holger; Sommer, Jens-Uwe & Sharma, Abhinav
  
• Collisions Enhance Self-Diffusion in Odd-Diffusive Systems. Physical Review Letters, 129(9).
  Kalz, Erik; Vuijk, Hidde Derk; Abdoli, Iman; Sommer, Jens-Uwe; Löwen, Hartmut & Sharma, Abhinav
  
• Strongly enhanced dynamics of a charged Rouse dimer by an external magnetic field. PNAS Nexus, 1(3).
  Shinde, Rushikesh; Sommer, Jens Uwe; Löwen, Hartmut & Sharma, Abhinav
  
• Tunable Brownian magneto heat pump. Scientific Reports, 12(1).
  Abdoli, Iman; Wittmann, René; Brader, Joseph Michael; Sommer, Jens-Uwe; Löwen, Hartmut & Sharma, Abhinav
  
• Tailoring the escape rate of a Brownian particle by combining a vortex flow with a magnetic field. The Journal of Chemical Physics, 158(10).
  Abdoli, I.; Löwen, H.; Sommer, J.-U. & Sharma, A.
  
• Oscillatory Force Autocorrelations in Equilibrium Odd-Diffusive Systems. Physical Review Letters, 132(5).
  Kalz, Erik; Vuijk, Hidde Derk; Sommer, Jens-Uwe; Metzler, Ralf & Sharma, Abhinav