In dieser Arbeit wurden Phasenmischungen aus aktiven und passiven Mikroschwimmers mittels der Mulitple Particle Collision Dynamics (MPCD) Methode unter Verwendung des Squirmer Modells durchgeführt und der Einfluss verschiedener Mikroschwimmereigenschaften (Schwimmgeschwindigkeit, Verhältniss aktiver zu passiver Mikroschwimmer, Anzahl der Mikroschwimmer, Größe des Simulationsbereichs) auf das kollektive Verhalten untersucht. Die Arbeit enthält ausführliche Beschreibungen der MPCD (nummerische Methode zum Lösen der Stokes Gleichung), des Squirmer Modells und der Theorie der Fluid Dynamik.
Mikroschwimmer sind mikrometergroße Teilchen, die sich eigenständig, trotz Abwesenheit externer Kräfte oder Drehmomente, in Flüssigkeiten fortbewegen können. Ansammlungen solcher Mikroschwimmer kommen in der Natur häufig vor, etwa als Suspensionen von Bakterien und anderer Mikroorganismen oder in Form von in Gruppen schwimmender Spermienzellen. Die Physik solcher Systeme von Mikroschwimmern ist hauptsächlich durch die Hydrodynamik bei niedriger Reynoldszahl und Brownscher Bewegung bestimmt. Von ihrer Erforschung erhofft man sich einerseits neue fundamentale Erkenntnisse für die statistische Physik des Nichtgleichgewichts. Andererseits lässt sich aus interagierenden aktiven Mikroschwimmern möglicherweise eine neue Klasse von aktiven Materialien mit neuen, definierbaren Eigenschaften formen. Ein besonders interessantes Ergebnis bisheriger Untersuchungen ist, dass Ansammlungen einer größeren Menge dicht gedrängter Mikroschwimmer unter bestimmten Bedingungen Cluster ausbilden. Diese Cluster sind dicht gedrängte, oft hexagonal dichtest gepackte Ansammlungen von Mikroschwimmern, die aufgrund der Einengung durch umgebende Mikroschwimmer fest an einen Ort verharren. Diese mehr oder weniger starren Cluster sind von Bereichen mit frei beweglichen, lose verteilten Mikroschwimmern umgeben. Man sagt, dass die Mikroschwimmer in eine dichte Phase und eine gasartige Phase phasenseparieren. In der Natur treten häufig Mischungen aus Mikroschwimmern und passiven Teilchen auf - etwa aktiv schwimmende Bakterien in einer Emulsion aus Wasser und passiven Fetttröpfchen. Motiviert von dieser Tatsache versucht diese Arbeit einen Beitrag zur Erforschung des kollektiven Verhaltens von Mikroschwimmern zu leisten und untersucht das Phasenverhalten und die kollektive Dynamik von Mischungen aus aktiven und passiven Teilchen mithilfe von Computersimulationen.
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- Aktueller Forschungsstand und Einordnung der Thematik
- Theoretische Grundlagen
- Grundlagen der Hydrodynamik
- Hydrodynamik bei niedriger Reynolds-Zahl
- Mikroschwimmer
- Typen von Schwimmern
- Das Squirmer-Modell
- Brownsche Bewegung von Mikroschwimmern
- Translative Diffusion
- Rotationsdiffusion
- Aktive Brownsche Bewegung von Mikroschwimmern
- Vielteilchenstoßdynamik
- Der Algorithmus
- Initialisierung und Wahl der Parameter
- Strömungsschritt
- Kollisionsschritt
- Der Algorithmus
- Phasenverhalten von Mischungen aus aktiven und passiven Teilchen
- Durchführung der Simulationen und Vorgehen zur Auswertung
- Simulationsdetails
- Vorgehen bei der Auswertung
- Ergebnisse
- zeitlicher Verlauf eines phasenseparierenden Systems
- Einfluss von §, ẞ, xa und Pe
- Verteilung der aktiven und passiven Teilchen
- Bewertung der Ergebnisse
- Durchführung der Simulationen und Vorgehen zur Auswertung
- Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Arbeit untersucht das Phasenverhalten und die kollektive Dynamik von Mischungen aus aktiven und passiven Teilchen mithilfe von Computersimulationen. Das Ziel ist es, zu verstehen, wie sich das Mischungsverhältnis der aktiven und passiven Teilchen bei verschiedenen Mikroschwimmer-Typen und variierender Konzentration und Schwimmgeschwindigkeit auf die allgemeine kollektive Dynamik und insbesondere auf das Phasenverhalten des Systems auswirkt.
- Phasenseparation in Mischungen aus aktiven und passiven Teilchen
- Einfluss des Mischungsverhältnisses auf die kollektive Dynamik
- Unterschiede im kollektiven Verhalten verschiedener Mikroschwimmer-Typen (Pusher, Puller, neutrale Schwimmer)
- Simulation von Mikroschwimmern mithilfe des Squirmer-Modells
- Anwendung der Vielteilchenstoßdynamik (MPCD) zur Simulation von Vielteilchensystemen
Zusammenfassung der Kapitel
Das erste Kapitel liefert eine Einführung in das Thema Mikroschwimmer und deren kollektives Verhalten, insbesondere Phasenseparation. Das zweite Kapitel gibt einen Überblick über den aktuellen Forschungsstand und beschreibt die Zielsetzung der Arbeit. Kapitel drei befasst sich mit den theoretischen Grundlagen, einschließlich Hydrodynamik bei niedriger Reynolds-Zahl, Brownscher Bewegung und dem Squirmer-Modell. Im vierten Kapitel wird die Simulationsmethode MPCD erläutert. Kapitel fünf beschreibt die Durchführung der Simulationen und präsentiert die Ergebnisse. Das sechste Kapitel fasst die Ergebnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten.
Schlüsselwörter
Mikroschwimmer, Phasenseparation, Vielteilchenstoßdynamik (MPCD), Squirmer-Modell, Brownsche Bewegung, kollektive Dynamik, aktive Teilchen, passive Teilchen, Pusher, Puller, neutrale Schwimmer, Konzentration, Schwimmgeschwindigkeit.
- Quote paper
- Anton Rodenhauser (Author), 2017, Phasenverhalten von Mischungen aus aktiven und passiven Mikroschwimmern, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/385017
