Universität zu Köln

Martin-Gomez, Aitor ORCID: 0000-0001-7874-944X (2020). Emergent conformational and dynamical properties in active filamentous systems. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Active matter provides a wide spectrum of non-equilibrium emerging phenomena. In nature, active agents endure a vast number of propulsion mechanisms to generate directed motion. Examples range from the cytoskeleton, where actin filaments and microtubules are driven by molecular motors, or ATP-dependent enzymatic processes altering the dynamics of the cytoplasm, to kinesin motors going through microtubules, which generate nonequilibrium forces that affect the dynamics of the cytoskeleton, the transport, and the organization in the cell interior. Following the physical nature of active elongated systems, we drive our investigations into the properties of active filamentous, polymer-like system in which activity is taken into account by independent site velocities, with orientations changing in a diffusive manner, and not tangential to the polymer contour. The intimate coupling of thermal and active noise, shear stress, hydrodynamic interactions, and polymer conformations implies the emergence of novel structural and dynamical features. First, we study analytically the conformational and rheological properties of active filaments/polymers exposed to shear flow. Using the continuous Gaussian semiflexible polymer model extended by the activity, yields a shear-induced deformation, alignment, and shear thinning behavior, similarly to the passive counterpart. Independent of stiffness, activity facilitates the swelling of polymers, and enhances alignment and shear thinning. Next, we analyze the influence of hydrodynamic interactions (HI) on the properties of polymers and filaments exposed to activity. Activity is taken into account by independent site velocities, with orientations changing in a diffusive manner. We investigate the conformational and dynamical properties of active self-propelled filaments/ polymers in solution by using Brownian dynamics simulations and analytical theory. At moderate activities, HI lead to a substantial shrinkage of semiflexible polymers; even flexible HI-polymers shrink, while active free-draining polymers swell monotonically. For large activities, flexible and semiflexible polymers undergo a reswelling. The polymer mean square displacement is enhanced, and an activity-determined ballistic regime appears. Similarly, we explore polymers in solution in the presence of external active noise. Now, the same description of the system is used, however, a coupling between the activity and hydrodynamics in the equations of motion has been taken into account. That way, we can depict the activity as a correlated noise from the environment, which we describe by the colored noise, instead of being an intrinsic property of the polymers. In this case, HI lead to an enhanced swelling of flexible polymers with increasing activity, even for moderate values, differing substantially from the conformational properties of self-propelled polymers in presence (and absence) of HI. To conclude, we introduce a particle-based mesoscale hydrodynamics simulation technique for both cases; polymers in presence of external active noise and self-propelled polymer. After comparing the new conformational properties with the Brownian dynamics simulations, we find quantitative and qualitative agreement. Attractively,the MPC method can allow the application of more complex geometries for active objects in confinement, in contrast to the hydrodynamic tensor approach simulations .

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Aktive Materie weist ein weites Spektrum an Nichtgleichgewichts-Phänomenen auf. In der Natur findet man eine Fülle solcher aktiven Systeme, die durch verschiedenste Fortbewegungsmechanismen gerichtete Bewegung erzeugen können. In den hier betrachteten Längenskalen reichen Beispiele aktiver Materie von Zytoskelett, wo Actinfilamente und Mikrotubuli von molekularen Motoren bewegt werden bis hin zu ATPgetriebenen, enzymatischen Prozessen, die die Dynamik des Cytoplasmas bestimmen. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit fokussieren wir uns auf die Eigenschaften von aktiven, filamentartigen, polymer-ähnlichen Systemen. Dabei wird, anders als bei tangential, entlang der Kontur getriebenen Filamenten, die Aktivität durch unabhängige Geschwindigkeiten entlang der Kontur des Filaments beschrieben, deren Orientierungsvektoren sich wie bei einem diffusiven Prozess verhalten. Die Kopplung von thermischen Fluktuationen mit der Aktivität, der Einfluss von Scherströmungen und hydrodynamischen Wechselwirkungen zeigen neue strukturelle und dynamische Eigenschaften auf. Im ersten Teil beschreiben wir mittels analytischer Berechnungen die strukturellen und reologischen Eigenschaften von aktiven, semiflexiblen Filamenten unter dem Einfluss von Scherströmungen. Dabei verwenden wir das, um die Aktivität erweiterte, kontinuierliche Gauß‘sche Polymermodell und zeigen dessen Scherungs-induzierte Deformation, Ausrichtung und Verdünnung. Unabhängig von der Steifheit des Polymers, steigert die Aktivität, im Vergleich zum passiven Polymer, dessen Schwellung,Auslenkung und Verdünnung. Des Weiteren untersuchen wir die strukturellen und dynamischen Eigenschaften von aktiven, selbstgetriebenen Filamenten in Lösungen mittels Brownian Dynamics Simulations und mit Hilfe von analytischen BerechNungen. Bei moderater Aktivität des Systems führen die hydrodynamischen Wechselwirkungen zu einer signifikanten Schrumpfung der semiflexiblen Filamente; auch flexible Filamente schrumpfen mit zunehmender Aktivität, während sie ohne Einfluss von hydrodynamischen Wechselwirkungen monoton anschwellen. Bei sehr starker Aktivität schwellen die semiflexiblen und flexiblen Filamente auch unter Einfluss der Hydrodynamik wieder an. Die mittlere quadratische Verschiebung vergrößert sich mit zunehmender Aktivität und ein ballistisches Regime tritt ein. Ähnlich zu den selbstgetriebenen Filamenten, untersuchen wir auch extern getriebene Filamente in Lösungen. Dabei tritt eine Kopplung der Hydrodynamik und der Aktivität auf. Dies wiederum führt zu einer stark gesteigerten Schwellung der flexiblen Filamente und das auch unter dem Einfluss von bloß moderater Aktivität. Dieses Verhalten unterscheidet sich substanziell vom Verhalten von selbstgetriebenen Filamenten sowohl in Lösungen, als auch ohne hydrodynamische Wechselwirkungen. Wir stellen auch eine neue, Teilchen-basierte Mesoskalen-Hydrodynamik-Simulation für beide Fälle vor. Der Vergleich mit Brownian Dynamics Simulationen zeigt eine gute qualitative als auch quantitative Übereinstimmung. Ein großer Vorteil dieser neuen Methode, die auf MPC basiert, ist, dass sich damit sehr leicht die Untersuchung der oben vorgestellten Systeme auf eine größere Anzahl an Polymeren und komplexeren Geometrien hoch-skalieren lässt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Martin-Gomez, Aitor aitormg93@gmail.com orcid.org/0000-0001-7874-944X UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-304148
Date:	2020
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institut für Biologische Physik
Subjects:	Physics Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Polymer Science English Active Matter English Soft Matter English Biophysics English Statistical Physics English Computational Biophysics English
Date of oral exam:	30 June 2020
Referee:	Name Academic Title Gompper, Gerhard Prof. Dr. Schadschneider, Andreas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/30414