Aktive kolloidale Moleküle und Ketten in inhomogener Aktivität: Einfluss von Wechselwirkungen, Hydrodynamik und Einschränkungen

• Antragsteller: Hossein Vahid Dastjerdi
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561963765

Aktive Materiesysteme, die Energie aus ihrer Umgebung nutzen, um sich selbst anzutreiben und weit vom Gleichgewicht entfernt zu arbeiten, sind zentral für das Verständnis kollektiver Verhaltensweisen sowohl in biologischen als auch in synthetischen Kontexten geworden. Frühere Forschungen haben eine Vielzahl von Phänomenen in aktiver Materie untersucht, wie Chemotaxis und Anti-Chemotaxis, bei denen sich selbst angetriebene Partikel entweder auf oder ab chemischen Gradienten bewegen. Zum Beispiel beruht bakterielle Chemotaxis auf der Beweglichkeit entlang von Nährstoffgradienten, während künstliche aktive Brown'sche Partikel (ABPs) Anti-Chemotaxis zeigen, indem sie sich in Bereichen geringer Aktivität ansammeln. Diese Arbeiten haben gezeigt, wie Partikelausrichtung und Bewegungsmuster in Aktivitätsgradienten die Clusterbildung beeinflussen, mit Implikationen für das Verständnis der Rekrutierung von Immunzellen, der Metastasierung von Krebs und der Anwendungen synthetischer Mikroschwimmer. Jüngste Studien haben dieses Verständnis erweitert, indem sie den Einfluss von kettenartigen aktiven Polymeren untersuchten, insbesondere von tangential angetriebenen aktiven Polymeren (TDAPs), die das Verhalten von Biofilamenten nachahmen und einzigartige konformationelle Übergänge aufweisen. Diese TDAPs demonstrieren, wie strukturelle Eigenschaften wie Flexibilität und Antriebskräfte die Clusterbildung und Migration in aktiven Umgebungen beeinflussen. Beispielsweise hat die aktive Materiegruppe am IPF gezeigt, dass nicht-interagierende ABPs Chemotaxis zeigen können, wenn sie an passive Fracht angehängt sind. Es bleiben jedoch wichtige Fragen darüber, wie Faktoren wie sterische Effekte, Partikelform, Interaktionsstärke und Polymerarchitektur diese Übergänge beeinflussen. Dieser Forschungsvorschlag zielt darauf ab, neu auftretende chemotaktische Verhaltensweisen in Mischungen aus aktiven und passiven Komponenten zu untersuchen. Vor allem soll untersucht werden, wie Interaktionen das kollektive Verhalten und die Chemotaxis dieser Systeme beeinflussen. Darüber hinaus werden hydrodynamische Interaktionen untersucht, da sie eine entscheidende Rolle bei der Steuerung von Bewegung, Clusterbildung und kollektiver Dynamik sowohl in offenen Umgebungen als auch unter Einschränkungen spielen. Zudem werden Interaktionen mit Substraten betrachtet, da die Nähe zu Oberflächen das Verhalten aktiver Partikel erheblich verändern kann, indem sie Interaktionskräfte und Partikelorientierungen modifizieren. Insgesamt strebt diese Studie danach, ein umfassendes Verständnis der Faktoren zu liefern, die das chemotaktische Verhalten in aktiven Materiesystemen in verschiedenen Umgebungen antreiben.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle