Universität zu Köln

Meßlinger, Sebastian (2008). Hydrodynamics of Rod-Like Colloids and Vesicles. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF messlinger.pdf Download (3MB)

Abstract

We investigate the dynamics of rod-like colloids and vesicles by means of computer simulations. These two systems are examples of the rich dynamics in "soft-matter" systems, which is characterized by large relaxation times. Therefore, dynamical behavior in soft-matter systems is easily accessable experimentally, and soft materials are driven into non-equilibrium states, already by weak external fields. Both systems have in common that they serve as model systems for transport phenomena in cell biology. We focus on the influence of hydrodynamic interactions. This is realized by the use of a mesoscale hydrodynamics simulation technique called the "Multi Particle Collision Dynamics" (MPC) method, which takes the solvent into account explicitly. We calculate self-diffusion constants of rod-like colloids in the isotropic and nematic phases. Rod diffusion is strongly influenced by steric and hydrodynamic interactions between rods. Due to the anisotropy of the nematic phase also diffusion is anisotropic in such systems. We find that hydrodynamic effects lead to an increased diffusion. Moreover, our simulations show that the diffusion anisotropy of the nematic phase depends on the rod aspect ratio. Our simulation results are compared to experimental measurements of our cooperation partners (group J. K. G. Dhont, FZ-Jülich) who measured diffusion constants of rod-like fd-viruses suspensions. Our observations of the hydrodynamic enhancement and the anisotropy of rod self-diffusion are in good agreement with the experiments. A small amount of spherical tracer colloids is added to the rod suspensions described above, and tracer-sphere diffusion constants are determined. They also exhibit a strong diffusion anisotropy in the nematic phase. The effect of the rod network on tracer-sphere diffusion can be divided into a steric and hydrodynamic contribution. Our results are in good agreement with theoretical predictions which incorporate hydrodynamic effects. An important quantity for the calculation of the theoretical diffusion constants is the hydrodynamic screening length, which is difficult to measure in experiments, but can be directly calculated in simulations. Due to the high concentration of rods, the typically long-ranged hydrodynamic interactions, which depend inversely proportional on the distance between colloids, are screened such that they decay exponentially. We have developed a method which allows us to calculate hydrodynamic screening lengths from the equilibrium fluctuations of solvent shear waves. With this method, we are also able to determine anisotropic screening lengths in nematic systems. We show that hydrodynamic screening lengths are of the order of typical distances between neighboring rods. The calculated screening lengths are able to explain tracer-sphere diffusion constants quantitatively. Far more complex than rod suspensions are vesicles, as they have an internal dynamics. We study vesicles in shear flow in a two-dimensional model system which shows a variety of interesting dynamical phenomena. Depending on the viscosity ratio, i.e. the ratio between the inner and the outer viscosity of the vesicle, they can either ``tumble'', ``swing'' or show ``tank-treading''. In the tumbling regime, the vesicle orientation permanently rotates, in the swinging regime the vesicle exhibits temporally periodical changes in shape and orientation and in the tank-treading regime both shape and orientation are constant, whereas the membrane rotates around the enclosed volume. For the first time, a transition from tank-treading to swinging with increasing viscosity contrast could be shown in computer simulations. Our simulations are in good agreement with a phenomenological theoretical description. Close to walls, tumbling is strongly suppressed. Furthermore, the vesicle is repelled from the wall. The origin of this repulsion is the hydrodynamical lift force. We find that the lift force decays inversely proportional to the squared wall distance and that it decays with increasing viscosity contrast. The lift force is of relevance for the motion of blood cells in blood flow.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Hydrodynamik stäbchenförmiger Kolloide und Vesikel German
Translated abstract:	Abstract Language Wir untersuchen die Dynamik von Suspensionen stäbchenförmiger Kolloide und von Vesikeln mit Hilfe von Computer-Simulationen. Dies sind zwei Beispiele für die reichhaltige Dynamik in "Weiche-Materie"-Systemen, die sich dadurch auszeichnet, dass sich aufgrund der langen Relaxationszeiten einerseits die Dynamik leicht experimentell untersuchen lässt und andererseits die Systeme in einen Nichtgleichgewichtszustand gebracht werden können. Beiden Systemen gemeinsam ist, dass sie als Modellsysteme für Transportphänomene in der Biologie der Zelle dienen, und dass wir besonders den Einfluss der Hydrodynamik untersuchen. Letzteres realisieren wir dadurch, dass wir die Simulationsmethode "multi particle collision dynamics" (MPC) verwenden, mit der das Lösungsmittel explizit mitsimuliert wird. Wir berechnen die Diffusionskonstanten von stabförmigen Kolloiden in isotropen und nematischen Stäbchensystemen. Die Stäbchendiffusion wird durch sterische und hydrodynamische Wechselwirkungen zwischen Stäbchen stark beeinflusst. Aufgrund der Anisotropie der nematischen Phase ist auch das Diffusionsverhalten in der nematischen Phase anisotrop. Unsere Untersuchungen zeigen, dass hydrodynamische Effekte für eine Erhöhung der Diffusionskonstanten sorgen. Ferner zeigen die Simulationen, dass die Anisotropie der Diffusion in nematischen Systemen vom Aspekt-Verhältnis der Stäbchen abhängt. Die Simulationsergebnisse werden mit Ergebnissen unserer experimentellen Kooperationspartner (Gruppe J. K. G. Dhont, FZ-Jülich) verglichen, die Diffusionskonstanten von fd Viren messen. Unsere Beobachtungen zur hydrodynamischen Verstärkung und zur Anisotropie der Stäbchendiffusion sind in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. In die oben beschriebenen Kolloidsysteme werden kugelförmige Tracer-Kolloide in geringer Konzentration zugegeben, deren Diffusionskonstanten bestimmt werden. Auch hier ist das Diffusionsverhalten in der nematischen Phase anisotrop. Der Einfluss des Stäbchennetzwerks auf die Kugeldiffusion kann auf sterische sowie hydrodynamische Effekte zurückgeführt werden. Die Ergebnisse sind in Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen, in der insbesondere hydrodynamische Effekte mitberücksichtigt werden. Eine wichtige Größe für die Berechnung der theoretischen Diffusionskonstanten ist die hydrodynamische Abschirmlänge, die experimentell schwer zugänglich ist, jedoch in Simulationen direkt bestimmt werden kann. Die hohe Konzentration der Stäbchen führt dazu, dass die sonst langreichweitigen hydrodynamischen Wechselwirkungen (Abhängigkeit ist proportional zum reziproken Abstand) zwischen Kolloiden effektiv abgeschirmt werden, so dass sie exponentiell abfallen. Wir haben eine Methode entwickelt, mit der die Abschirmlängen aus den Gleichgewichtsfluktuationen der Scherwellen des Lösungsmittels bestimmt werden können. Damit sind wir auch in der Lage, anisotrope Abschirmung in nematischen Systemen zu berechnen. Wir können zeigen, dass hydrodynamische Abschirmlängen von der Größenordnung typischer Nachbarabstände von Stäbchen sind. Die ermittelten Abschirmlängen können die in den Simulationen beobachteten Diffusionskonstanten von Tracer-Kugeln quantitativ erklären. Weitaus komplexer als Stäbchen-Suspensionen sind Vesikel, da sie zusätzlich über eine interne Dynamik verfügen. In einem zweidimensionalen Modell-System untersuchen wir Vesikel im Scherfluss. Diese zeigen eine Reihe interessanter dynamischer Phänomene. Abhängig vom Verhältnis der Viskositäten innerhalb und außerhalb des Vesikels, können sie entweder taumeln, schwingen, oder sie zeigen "Tank-Treading". Beim "Taumeln" rotiert die Orientierung des Vesikels ständig, beim "Schwingen", weißt das Vesikel zeitlich periodische Veränderungen in Form und Orientierung auf, und im Bereich des "Tank-Treading" bleiben Form und Orientierung zeitlich konstant, jedoch bewegt sich die umgebende Membran wie die Kette eines Raupenfahrzeuges um die eingeschlossene Flüssigkeit. Zum ersten Mal konnte hier mit Computer Simulationen das "Schwingen" bei Erhöhung des Viskositätskontrast gezeigt werden. Es ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit einer phenemenologischen theoretischen Beschreibung. In der Nähe von Wänden wird das Taumeln unterdrückt. Hinzu kommt, dass das Vesikel von der Wand abgestoßen wird. Die Ursache dafür ist die hydrodynamische "Lift-Force". Wir finden, dass die Lift-Force umgekehrt proportional zum Quadrat des Wandabstandes abfällt, und dass sie mit zunehmendem Viskositätskontrast schwächer wird. Die Lift-Force ist insbesondere für die Bewegung von Blutkörperchen im Blutstrom von Relevanz. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Meßlinger, Sebastian s.messlinger@fz-juelich.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-24130
Date:	2008
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > Forschungszentrum Jülich
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Colloid, soft matter, vesicle, hydrodynamics, semiflexible polymer English
Date of oral exam:	23 June 2008
Referee:	Name Academic Title Gompper, Gerhard Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2413