Universität zu Köln

Marx, Kristian (2011). Self-propelled rod-like swimmers near surfaces. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Self-propelled microswimmers are biological organisms or synthetic objects that propel themselves through the surrounding fluid. Examples are sperm, various swimming bacteria such as Escherichia coli, the green alga Chlamydomonas reinhardtii and artificial bimetallic rods that catalyze chemical reactions in the surrounding hydrogen peroxide. Even though these swimmers differ in their size and driving mechanism, they can be classified as having pusher or puller polarity, which means that they are driven from the rear or the front, respectively. To study the differences in the dynamics of swimmers of different polarity, we develop a general model of rod-like swimmers and perform simulations in three dimensions, employing a particle-based mesoscopic simulation technique (multi-particle collision dynamics) for the hydrodynamic interactions. In the center of our interest are the interactions of swimmers with walls and with each other at higher densities. In the dilute case, we find that all polarities (pusher, puller and neutral) show surface adhesion, the strongest in the pusher case. For pushers, this adhesion originates from sterical alignment with the wall and hydrodynamic attraction towards the wall, making them swim closest to the wall. For pullers, we show that they swim at a slightly larger distance from the wall than pushers, and that they are inclined towards the wall by a hydrodynamic repulsion of their middle part, which also leads to strong surface adhesion. We also measure the attractive force between pusher and wall and compare it to the dipole model, which is a commonly used far-field approximation for the flow surrounding polar swimmers. Previous studies of self-propelled swimmers at high density were mostly performed in two dimensions or neglected either hydrodynamics or excluded-volume interactions. Using an efficient parallelization on GPU hardware, we are able to study the collective behavior of rods in three dimensions at various densities and driving forces, taking into account hydrodynamics and excluded-volume interactions. Our findings emphasize the importance of the polarity of swimmers: Neutrally propelled rods interact weakly via hydrodynamics, but display an isotropic-nematic phase transition at lower critical densities than passive rods. Pusher rods align parallel with each other and form medium sized motile clusters that can develop into flow defects such as jets and swirls. The clusters primarily swim close to the surfaces, where the rod concentration is highest. The surface aggregation decreases with increasing rod density. While polar order is apparent at short distances within the clusters, at longer scales the flow defects destroy the order. However, nematic order is found to be slightly positive at a system-wide scale for high-density systems, indicating that clusters can align with each other. The clusters in puller systems are radically different. At low rod densities several small non-motile hedgehog-like clusters are formed at the walls, merging into one giant, system-spanning cluster at high rod densities. These giant clusters usually include a large fraction of all rods in the system. While these are jamming clusters, they are not static but deform slowly. We conclude that the puller clusters are due to aster-like defects, which have been predicted for puller fluids, combined with excluded-volume interactions. A more specific model for sperm swimming is also being investigated. This model has been shown to display surface adhesion in the dilute solution and the capability to cluster and synchronize motion between two sperm. In multi-sperm simulations, we demonstrate the formation of small clusters by straight swimming sperm, but we find the interactions to be too weak for cluster formation among bent sperm. In order to strengthen interactions, we modify the sinusoidal beat pattern such that it displays an increasing amplitude towards the end of the tail. This indeed extends the time of two synchronized sperm swimming together, compared to the previous model.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Selbstangetriebene stäbchenförmige Schwimmer nahe Oberflächen German
Translated abstract:	Abstract Language Selbstangetriebene Mikroschwimmer sind Organismen oder künstliche Schwimmer die sich aus eigener Kraft in Flüssigkeit fortbewegen können. Beispiele hierfür sind Spermien, verschiedene schwimmende Bakterien wie Escherichia coli, die grüne Alge Chlamydomonas reinhardtii und künstliche bimetallische Stäbchen die als Katalysator für Wasserstoffperoxid fungieren. Obwohl sich diese Schwimmer in ihrer Größe und in ihrem Antriebsmechanismus unterscheiden, können sie anhand ihrer Polarität als Pusher oder Puller klassifiziert werden. Pusher werden dabei im hinteren Bereich, Puller im vorderen Bereich angetrieben. Schwimmer verschiedener Polarität zeigen ein stark unterschiedliches Verhalten. Um dieses zu untersuchen entwickeln wir ein Modell von stäbchenähnlichen Schwimmern und führen dreidimensionale Simulationen durch. Wir modellieren die hydrodynamischen Wechselwirkungen mit Hilfe einer teilchen-basierten mesoskopischen Simulationstechnik (Multi Particle Collision Dynamics, MPCD). Im Mittelpunkt unseres Interesses stehen die Wechselwirkungen der Schwimmer untereinander und mit Wänden bei hohen Schwimmerkonzentrationen. Betrachtet man einzelne Schwimmer so zeigt sich, dass Schwimmer aller Polaritäten (Pusher, Puller und neutral angetrieben) die meiste Zeit nahe den Oberflächen zu finden sind. Am stärksten ausgeprägt ist dieser Effekt jedoch im Fall der Pusher. Diese werden durch hydrodynamische Wechselwirkung mit der Wand und durch Kollision mit ihr parallel zu der Wand ausgerichtet. Des Weiteren sorgen die hydrodynamischen Wechselwirkungen für eine Anziehung zwischen Pusher und Wand, so dass die Pusher sehr nahe and der Wand schwimmen. Diese Anziehungskraft messen wir in der Simulation und vergleichen sie mit dem Dipolmodell, welches häufig als Fernfeldnäherung für das Flussfeld um selbstangetriebene polare Schwimmer verwendet wird. Für Puller können wir zeigen, dass sie durch hydrodynamische Abstoßung von der Wand in der Mitte ihres Körpers und durch Anziehung an ihrem vorderen Ende leicht in Richtung Wand geneigt schwimmen. Durch diese Ausrichtung zur Wand verlassen sie diese trotz der Abstoßung nicht. Allerdings schwimmen sie dadurch in etwas größerem Abstand von der Wand als Pusher. In der Vergangenheit wurden Studien über selbstangetriebene Schwimmer bei hoher Dichte meistens im zweidimensionalen Raum durchgeführt, oder es wurden Hydrodynamik oder körperliche Wechselwirkungen nicht beachtet. Durch Verwendung effizienter Parallelisierung auf GPU Hardware sind wir im Stande das kollektive Verhalten von Stäbchen im dreidimensionalen Raum bei verschiedenen Dichten und Antriebskräften zu untersuchen, unter Berücksichtigung von Hydrodynamik und körperlichen Wechselwirkungen. Unsere Ergebnisse zeigen die Bedeutung der Polarität der Schwimmer: Neutral angetriebene Stäbchen zeigen nur schwache hydrodynamische Wechselwirkung. Die körperliche Wechselwirkung jedoch führt zu einer Verschiebung des isotrop-nematischen Phasenübergangs zu geringeren kritischen Dichten, verglichen mit passiven Stäbchen. Pusher Stäbchen richten sich parallel zueinander aus und formen mittelgroße bewegliche Cluster, die sich zu Flussdefekten wie Jets und Strudel entwickeln können. Die Cluster schwimmen hauptsächlich nahe der Oberflächen, wo die Konzentration der Stäbchen am höchsten ist. Das Konzentrationsgefälle zwischen Wand und Systemmitte nimmt jedoch mit ansteigender Stäbchendichte ab. Während auf kurzen Distanzen polare Ordnung auftritt, wird diese auf großen Skalen durch die Flussdefekte zerstört. Wir können jedoch zeigen, dass sich bei hohen Pusherdichten systemweit eine positive nematische Ordnung einstellt, sich also auch Cluster aneinander ausrichten können. Die Cluster in Puller Systemen sind grundlegend anders. Bei einer geringen Stäbchendichte werden an den Wänden mehrere kleine unbewegliche igel-ähnliche Cluster gebildet, die sich bei hoher Stäbchendichte zu einem riesigen, von Wand zu Wand reichenden Cluster entwickeln. Diese riesigen Cluster umfassen gewöhnlich einen großen Anteil aller Stäbchen des Systems. Die Cluster sind zwar unbeweglich, jedoch nicht statisch; sie verformen sich langsam. Wir gehen davon aus, dass sich die Puller Cluster aufgrund von sternförmigen Flussdefekten verbunden mit körperlichen Wechselwirkungen bilden. Wir setzen Studien über ein spezifischeres Spermienmodell fort. Diese Modellspermien zeigen ebenfalls eine erhöhte Schwimmerkonzentration nahe der Oberflächen. Außerdem können zwei dieser Spermien sich einander anziehen und synchronisieren. In Simulationen mit vielen geradeaus schwimmenden Spermien zeigen wir die Bildung von kleinen Clustern, für Clusterbildung unter gebogenen Spermien jedoch ist die Wechselwirkung zu schwach. Um die Wechselwirkungsstärke zu erhöhren modifizieren wir das sinusförmige Schlagmuster des Flagellums so, dass die Schlagamplitude zum Ende des Schwanzes hin ansteigt. Dies führt tatsächlich dazu, dass die Synchronisation zwischen zwei Spermien für längere Zeit anhält, verglichen mit dem Modell mit sinusförmigem Schlagmuster. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Marx, Kristian k.marx@fz-juelich.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-45965
Date:	1 December 2011
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > Forschungszentrum Jülich
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language self-propelled, swimmer, rod, active fluid, MPC, multi-particle collision dynamics, hydrodynamics, simulation, cluster, swarming, surface English
Date of oral exam:	30 January 2012
Referee:	Name Academic Title Gompper, Gerhard Prof. Berg, Johannes Prof.
Funders:	Forschungszentrum Jülich
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4596