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Modelling active particles in time-dependent fields

Ureña Marcos, José Carlos (2023)
Modelling active particles in time-dependent fields.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024770
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Active particles tap into energy from their environment to produce persistent motion. Examples can be found on different lengthscales in nature, ranging from motile bacteria or sperm cells to birds or fish. They exploit their ability to self-propel to perform key tasks in their survival, which has inspired the assembly of synthetic active particles (also known as ‘microswimmers’ when they are micron sized), such as Janus colloids or droplet swimmers. The development of these motile (micro)agents holds great promise for tackling environmental and medical issues such as water treatment, targeted drug delivery or microsurgery. However, many challenges arise when conceiving these agents. For instance, control schemes need to be engineered so that these agents can navigate through complex environments, and their design has to be suitable for these environments. As of today, these challenges have not yet been optimally met. In this thesis, the control and design of autonomous motile agents are addressed, with the focus on how active particles behave in time-dependent fields. Firstly, a novel control scheme based on the use of ac fields is introduced. It exploits the interplay between (weak) rotational inertia and fast, unbiased ac fields to induce a persistent particle orientation. This control scheme is generically relevant for different types of active particles, such as artificial self-propelled colloids or vibrated granulates, in different setups, as illustrated here with Langevin dynamics simulations. A most remarkable example consists in inertial active particles self-propelling against a gravitational field and sedimenting at the top wall of the simulation box. An analytical framework based on a separation of fast and slow timescales is also presented, revealing that control can be gained by stabilising equilibrium points in the orientation dynamics of the particles thanks to the application of rapidly oscillating ac fields. Secondly, a new kind of self-powered, all-aqueous droplet swimmer is presented, which shows a dynamical transition from linear to chiral self-propulsion. This droplet swimmer emits surface tension–lowering polymer molecules, thus creating concentration and flow fields which change with time due to Marangoni flows and the droplet motion. In this work, the full time-dependent hydrodynamics of the droplet swimmer are modelled, with self-propulsion resulting from surface tension gradients along the water–droplet interface. Numerical simulations based on this model reveal that the transition to chiral motion is caused by the interaction of the droplet with its own chemical history through Marangoni flows. This new droplet swimmer has a higher level of autonomy, in terms of self-sustainability and dynamical diversity, than similar droplet swimmers realised in the past. Its features make it suitable for applications in environments where refuelling is not easily possible, such as biological media.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Ureña Marcos, José Carlos
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Modelling active particles in time-dependent fields
Sprache: Englisch
Referenten: Liebchen, Prof. Dr. Benno ; Hardt, Prof. Dr. Steffen ; Klitzing, Prof. Dr. Regine von ; Braun, Prof. Dr. Jens
Publikationsjahr: 7 November 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xiv, 103 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 1 November 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024770
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24770
Kurzbeschreibung (Abstract):

Active particles tap into energy from their environment to produce persistent motion. Examples can be found on different lengthscales in nature, ranging from motile bacteria or sperm cells to birds or fish. They exploit their ability to self-propel to perform key tasks in their survival, which has inspired the assembly of synthetic active particles (also known as ‘microswimmers’ when they are micron sized), such as Janus colloids or droplet swimmers. The development of these motile (micro)agents holds great promise for tackling environmental and medical issues such as water treatment, targeted drug delivery or microsurgery. However, many challenges arise when conceiving these agents. For instance, control schemes need to be engineered so that these agents can navigate through complex environments, and their design has to be suitable for these environments. As of today, these challenges have not yet been optimally met. In this thesis, the control and design of autonomous motile agents are addressed, with the focus on how active particles behave in time-dependent fields. Firstly, a novel control scheme based on the use of ac fields is introduced. It exploits the interplay between (weak) rotational inertia and fast, unbiased ac fields to induce a persistent particle orientation. This control scheme is generically relevant for different types of active particles, such as artificial self-propelled colloids or vibrated granulates, in different setups, as illustrated here with Langevin dynamics simulations. A most remarkable example consists in inertial active particles self-propelling against a gravitational field and sedimenting at the top wall of the simulation box. An analytical framework based on a separation of fast and slow timescales is also presented, revealing that control can be gained by stabilising equilibrium points in the orientation dynamics of the particles thanks to the application of rapidly oscillating ac fields. Secondly, a new kind of self-powered, all-aqueous droplet swimmer is presented, which shows a dynamical transition from linear to chiral self-propulsion. This droplet swimmer emits surface tension–lowering polymer molecules, thus creating concentration and flow fields which change with time due to Marangoni flows and the droplet motion. In this work, the full time-dependent hydrodynamics of the droplet swimmer are modelled, with self-propulsion resulting from surface tension gradients along the water–droplet interface. Numerical simulations based on this model reveal that the transition to chiral motion is caused by the interaction of the droplet with its own chemical history through Marangoni flows. This new droplet swimmer has a higher level of autonomy, in terms of self-sustainability and dynamical diversity, than similar droplet swimmers realised in the past. Its features make it suitable for applications in environments where refuelling is not easily possible, such as biological media.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Aktive Teilchen nehmen Energie aus ihrer Umgebung auf, um sich selbst anzutreiben. In der Natur gibt es Beispiele auf verschiedenen Längenskalen, von beweglichen Bakterien oder Spermien bis hin zu Vögeln oder Fischen. Dabei nutzen sie ihre Fähigkeit, sich selbständig bewegen zu können, um wichtige und überlebensnotwendige Aufgaben zu erfüllen. Dies hat zur Entwicklung synthetischer aktiver Partikel (auch „Mikroschwimmer“ genannt, wenn sie einige Mikrometer groß sind), wie Janus-Kolloide oder Tröpfchenschwimmer, geführt. Mit diesen beweglichen (Mikro-)Teilchen steht ein sehr vielversprechendes System für die Lösung von Umwelt-, als auch medizinischen Problemen wie die Wasseraufbereitung, die gezielte Medikamentenabgabe oder die Mikrochirurgie zur Verfügung. Bei der Entwicklung dieser Teilchen treten jedoch zahlreiche Herausforderungen auf. So müssen beispielsweise Kontrollsysteme entwickelt werden, damit diese Agenten durch komplexe Umgebungen navigieren können und ihr Design muss für diese speziellen Umgebungen geeignet sein. All diese Fragen und Herausforderungen sind bis heute noch nicht vollständig gelöst. Diese Arbeit behandelt die Steuerung und das Design von autonom beweglichen Teilchen, wobei der Schwerpunkt auf dem Verhalten aktiver Partikel in zeitabhängigen Feldern liegt. Zunächst wird hierfür ein neuartiges Kontrollschema vorgestellt, das auf der Verwendung von zeitabhängigen Feldern basiert. Dieses Schema nutzt das Zusammenspiel zwischen (geringer) Rotationsträgheit und schnellen zeitabhängigen Feldern, dessen Stärke im Mittel verschwindet, um eine dauerhafte Ausrichtung der Teilchen zu bewirken. Generell ist diese Methode für jegliche Arten aktiver Teilchen, wie künstliche selbstangetriebene Kolloide oder vibrierende Granulate, in verschiedensten Anordnungen geeignet, wie es hier explizit mit numerischen Simulationen der Langevin Dynamik gezeigt wird. Ein besonders bemerkenswertes Beispiel sind träge aktive Teilchen, die sich gegen ein Gravitationsfeld selbst antreiben. Es zeigt sich, dass diese am oberen Rand der Simulationsbox sedimentieren. Hierfür wird ebenfalls ein analytisches Modell entwickelt, das auf einer Trennung von schnellen und langsamen Zeitskalen basiert. Dieses zeigt, dass die Kontrolle durch die Stabilisierung von Gleichgewichtspunkten in der Orientierungsdynamik der Teilchen dank der Anwendung von schnell oszillierenden zeitabhängigen Feldern erreicht werden kann. Im zweiten Teil wird ein neuartiger selbstangetriebener, vollständig wässriger Tröpfchenschwimmer vorgestellt, welcher einen dynamischen Übergang vom linearen zum chiralen Selbstantrieb zeigt. Dieser gibt oberflächenspannungsmindernde Polymermoleküle ab und erzeug so Konzentrations- und Strömungsfelder, die sich aufgrund von Marangoni-Strömungen und der Tröpfchenbewegung selbst zeitlich verändern. In dieser Arbeit wird die vollständige zeitabhängige Hydrodynamik des Tröpfchenschwimmers modelliert, wobei der Selbstantrieb aus Oberflächenspannungsgradienten entlang der Wasser-Tröpfchen-Grenzfläche resultiert. Numerische Simulationen auf der Grundlage dieses Modells zeigen, dass der Übergang zu einer chiralen Bewegung durch dieWechselwirkung des Tropfens mit seiner eigenen chemischen Vergangenheit durch Marangoni-Strömungen verursacht wird. Dieser Typos Tröpfchenschwimmer besitzt ein höheres Maß an Autonomie, was die Selbsterhaltung und die dynamische Vielfalt angeht, als ähnliche, in der Vergangenheit realisierte Tröpfchenschwimmer. Aufgrund seiner Eigenschaften eignet er sich für Anwendungen in Umgebungen, in denen ein Nachfüllen nicht ohne weiteres möglich ist, wie dies etwa in vielen biologischen Medien der Fall ist.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-247703
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Physik Kondensierter Materie (IPKM)
05 Fachbereich Physik > Institut für Physik Kondensierter Materie (IPKM) > Theorie weicher Materie
Hinterlegungsdatum: 07 Nov 2023 15:57
Letzte Änderung: 08 Nov 2023 11:57
PPN:
Referenten: Liebchen, Prof. Dr. Benno ; Hardt, Prof. Dr. Steffen ; Klitzing, Prof. Dr. Regine von ; Braun, Prof. Dr. Jens
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 1 November 2023
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