Cluster-getriebener Transport durch periodische Strukturen bei hohen Teilchendichten

• Antragsteller: Professor Dr. Philipp Maass
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521001072

Getriebene Bewegungen von Teilchen durch periodische Strukturen spielen eine wichtige Rolle bei intrazellulären Vorgängen und beim Teilchentransport in biologischen oder synthetisierten Porenstrukturen, in Monolagen kolloidaler Teilchen, in mikrofluidischen Systemen und auf Festkörperoberflächen. Bei hohen Teilchendichten sind Wechselwirkungen aufgrund des Volumenausschlusses zwischen den Teilchen dominierend und kooperative Teilchenbewegungen treten auf. Diese kooperative Bewegungen werden häufig durch Cluster vermittelt, d.h. Verbünden aus mehreren Teilchen, die bei der Bewegung zusammenbleiben. Die Dynamik dieser Cluster kann in neueren Experimenten detailliert studiert werden, aber ein gutes theoretisches Verständnis fehlt. Durch Kombination analytischer und numerischer Methoden soll erforscht werden, warum sich Cluster in periodischen Potentialen auch ohne anziehende Kräfte zwischen den Teilchen ausbilden, wie sich die Cluster fortbewegen können, und wie Clusterbewegungen zu messbaren Teilchenströmen bei sehr hohen Teilchendichten führen, in denen typischerweise Staubildungen den Teilchentransport hemmen. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen wird den kürzlich entdeckten Solitonen bei der Brownschen Bewegung gewidmet sein. Sie entsprechen Sequenzen von Clustern verschiedener Art, die sich bei Bewegung periodisch wiederholen. Es soll geklärt werden, wie sich Solitonen bei zeitabhängigen periodischen Triebkräften verhalten und wie sich Defekte in der periodischen Struktur und Teilchenwechselwirkungen zusätzlich zum Volumenausschluss auf die Solitonendynamik auswirken. In einem weiteren Teil des Projekts werden neue Methoden entwickelt, um Brownsche Dynamik bei hohen Teilchendichten auf Grundlage Cluster-basierter Bewegungen effizient zu simulieren. Aufbauend auf bereits bestehenden Kooperationen mit experimentellen Gruppen sind die geplanten Studien fokussiert auf Probleme, die im Experiment überprüft werden können. Die Untersuchungen haben das Ziel, ein umfassendes theoretisches Verständnis des Cluster-vermittelten Teilchentransports für eine Vielzahl periodischer Systeme zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Partnerorganisation: Czech Science Foundation
• Kooperationspartner: Dr. Artem Ryabov, Ph.D.