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| Der Begriff Schwimmer bezieht sich auf biologische oder künstliche Strukturen, die in der Lage sind, sich selbst anzutreiben, indem sie Energie aus der Umgebung beziehen. Die typische Größe eines Schwimmers reicht über Größenordnungen, von der makroskopischen Welt eines Blauwals im Ozean bis zur mikroskopischen eines Bakteriums. Mikroskopische Schwimmer, oder Mikroschwimmer, leben in einer Umgebung, in der die Viskosität der Flüssigkeit ihre Bewegung dominiert und die uns so vertraute Trägheit unterdrückt. Phoreses bezieht sich auf den physikalischen Mechanismus, bei dem ein kolloidales Teilchen aufgrund des Vorhandenseins eines Lösungsmittelgradienten, z. B. eines thermischen, chemischen oder magnetischen, wandert. Phoretische Kolloide haben sich in letzter Zeit als ein vielversprechender Weg für das Design künstlicher Mikroschwimmer herausgestellt. Thermophoretische Kolloide sind teilweise mit einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Gold, beschichtet, das sich unter Laserbeleuchtung schneller erwärmt und dann einen lokalen Wärmegradienten erzeugt. Die nicht beschichtete Oberfläche reagiert auf den Temperaturunterschied und zeigt die thermophoretische Reaktion darauf, was die Bewegung des Schwimmers antreibt. Die Bewegung von Kolloiden, die in Flüssigkeit eingetaucht sind, erzeugt weitreichende Strömungen, die in die Bewegung weiterer Kolloide münden können. Diese flüssigkeitsvermittelten Wechselwirkungen werden als hydrodynamische Wechselwirkungen bezeichnet. Da sich der Kolloid in einem Lösungsmittel befindet, sind Phoreses und Propulsion mit einem hydrodynamischen Strömungsfeld verbunden. Diese fluidvermittelten Wechselwirkungen werden stark von der Geometrie und den Oberflächeneigenschaften des Kolloids beeinflusst und spielen eine große Rolle bei der Interaktion zwischen Schwimmern.
In dieser Dissertation wird die Untersuchung von selbstthermophoretischen Dimeren und Trimeren kolloidalen Schwimmern mittels mesoskaliger Computersimulationen untersucht. Um die umstrittene Rolle der hydrodynamischen Wechselwirkungen in diesen Systemen genau zu verstehen, werden zwei Berechnungsansätze vorgestellt. Wir verwenden einen vollständig hydrodynamischen Ansatz, der die Thermophorese einschließt, und eine zweite Methode, die fluidvermittelte Effekte vernachlässigt, aber thermophoretische Wechselwirkungen berücksichtigt. Hydrodynamische Simulationen werden über die Kombination von Molekulardynamik und Mehrteilchen-Kollisionsdynamik durchgeführt, die nachweislich Hydrodynamik und Wärmetransport einschließt. Wir schlagen eine thermophoretische Brownsche-Dynamik-Methode für die trockenen Systeme vor, bei der die Phorese durch Paar-Potential-Wechselwirkungen implementiert wird. Der Vorteil dieser Methode gegenüber regulären Brownschen Methoden ist, dass der Antriebsmechanismus und die intermolekularen phoretischen Wechselwirkungen durch das gleiche Potential beschrieben werden. Dies gewährleistet eine korrekte Beschreibung der thermophoretischen Wechselwirkungen, wobei lediglich die Hydrodynamik im System vernachlässigt wird, was eine faire vergleichende Untersuchung ermöglicht.
In dieser Arbeit haben wir uns mit multimeren Strukturen beschäftigt, die aus einem beheizten Teilchen, das einen lokalen thermischen Gradienten erzeugt, neben einem oder zwei thermophoretischen Teilchen bestehen. Dimere Schwimmer haben nur ein phoretisches Teilchen, während Trimere mit zwei phoretischen Teilchen aufgebaut sind. Die ersten Trimere wurden so konstruiert, dass alle Teilchen stabförmig angeordnet sind, mit dem beheizten Teilchen in der Mitte. Um eine ballistische Bewegung zu erreichen, müssen die beiden phoretischen Teilchen unterschiedliche phoretische Antworten haben, so dass sich die phoretischen Kräfte die Orientierung teilen. Darüber hinaus können Trimere mit zwei gleichartigen phoretischen Teilchen gebildet werden, bei denen die lineare Struktur nicht mehr für den Vortrieb nützlich ist. Die drei Teilchen werden dann in einem Dreiecksgitter angeordnet, wodurch der ballistische Vortrieb wiederhergestellt wird. ändert man eine der phoretischen Teilchen dieser Struktur in das entgegengesetzte phoretische Verhalten, führt dies zu einem Rotationsverhalten durch ein phoretisches Drehmoment, also zu einem Rotorschwimmer.
Neben den Eigenschaften der Einzelschwimmer werden auch Ensembles von Schwimmern untersucht, wobei sich zeigt, dass das Zusammenspiel von Phorese, Hydrodynamik und Geometrie der Schlüssel zum richtigen Verständnis des kollektiven Verhaltens ist. Die Thermophorese unterstützt entweder die Aggregation, wie im Fall von thermophilen Schwimmern, bei denen phoretische Teilchen versuchen, sich um Wärmequellen zu gruppieren; oder sie verhindert stark die Clusterbildung, wenn thermophobe Teilchen von Wärmequellen abgestoßen werden. Diese Dimere und Trimere ändern ihr hydrodynamisches Verhalten, wenn das Seitenverhältnis zwischen den Radien der phoretischen und der beheizten Teilchen variiert wird. Interessanterweise hat sich gezeigt, dass die Auswirkungen der Hydrodynamik unterschiedliche Auswirkungen auf verschiedene Systeme haben. In einigen Fällen verstärkt die Hydrodynamik die Aggregation, wie es bei symmetrischen thermophilen Dimeren der Fall ist. In anderen Fällen wird die Clusterbildung durch abstoßende, fluidvermittelte Wechselwirkungen benachteiligt, wie es bei thermophoben Dimeren und dreieckigen Trimeren der Fall ist. Diese Effekte werden durch phoretische und sterische Effekte weiter verstärkt oder abgeschwächt. Darüber hinaus führen sterische Effekte zu einer Ausrichtung oder Aggregation am System. Die in dieser Dissertation vorgestellten Ergebnisse tragen zum Verständnis von thermophoretisch angetriebenen künstlichen Mikroschwimmern bei. Die große Vielfalt an Verhaltensweisen, die wir gesehen haben, kann vielseitigere Werkzeuge in verschiedenen Systemen wie mikrofluidischen Systemen oder sogar Geräte mit Anwendungen in der Medizin bieten, da die Biokompatibilität von kleinen thermischen Gradienten mit den meisten Organismen gegeben ist. | German |
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ORCID: 0000-0003-2781-9334
(2021).
Thermophoretic microswimmers: Interplay of phoresis, geometry and hydrodynamics.
PhD thesis, Universität zu Köln.
