Wagner, Martin (2017). Colloidal Microswimmers driven by Thermophoresis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Synthetic colloidal microswimmers have received increasing scientific interest over the past years due to their potential applications in micro-fluidics and medicine. The dynamics of such swimmers depend on many factors such as confinement, hydrodynamics, surface interactions, or external fields. The driving mechanism of phoretic colloidal swimmers is based on an asymmetric structure. One part of the swimmer will steadily produce a local gradient (temperature, concentration, or charge) in the surrounding fluid. A different part of the swimmer will be exposed to that gradient, decaying along its surface, and thereby experiences a phoretic driving force. Since many effects are simultaneously present in real-world applications, computer simulations offer a versatile tool to understand the dynamics of microswimmers, especially through the possibility of turning specific interactions or effects off and hence understanding how they affect the behavior. In this thesis, thermal microswimmers, especially those with a dimeric type of construction, are studied using a mesoscopic computer simulation method, multi-particle collision dynamics, which correctly describes the major features required for thermophoresis, i.e. heat transport and hydrodynamics. After a general introduction to the subject matter and methods, the general microscopic, hydrodynamic framework of phoretic effects is extended to model colloidal thermophoresis as the combined effect of a temperature and corresponding density gradient, with appli- cation to single colloid thermophoresis. The obtained results match simulation measurements well and make it possible to easily predict the response of colloids modeled with arbitrary interactions to a temperature gradient. Single swimmer dynamics are studied for two reference models, the Janus particle and the dimer type of construction. Their construction parameters determine their behavior, both in terms of propulsion velocity as well as hydrodynamic flow fields. The latter may qualitatively change, especially in case of the dimer which shows a prominent change between lateral hydrodynamic repulsion and attraction as a function of its geometric construction. Pairs of dimers are studied as well, showing a variety of depletion-induced bound states. Comparison between chemically and thermally driven swimmers shows their qualitative behavior to not depend on the phoretic mechanism employed for propulsion, neither for single swimmers nor pairs. An examination of depletion interactions is undertaken, which arise as a simulation artifact in the simulation method. On this basis, parameters are chosen to physically correct employ the simulation method in the context of many-particle systems, without spurious depletion interactions. Ensembles of thermophoretic dimers are studied in large-scale simulations. Phoretic attraction is shown to lead to crystallization dynamics, with microswimmers forming large and long-time stable, ordered aggregates. In case of phoretic repulsion, when combined with hydrodynamic lateral attraction stemming from the choice of appropriate construction parameters, a unique kind of dynamic, front-like swarming behavior emerges at intermediate swimmer densities. This phenomenology may offer more versatility and new possibilities in the design of applications based on active matter systems.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:
AbstractLanguage
Aufgrund ihrer vielfältigen möglichen Anwendungspotentiale in Bereichen wie Mikrofluidik und Medizin haben synthetische, kolloidale Mikroschwimmer in den letzten Jahren an wissenschaftlicher Bedeutung gewonnen. Das Verhalten dieser Schwimmer hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem von ihren spezifischen Oberflächenwechselwirkungen, ihrem hydrodynamischem Verhalten, räumlicher Beschränkung und eventuellen externen Feldern. Der Antriebsmechanismus phoretischer kolloidaler Schwimmer basiert auf ihrer asymmetrischen Struktur. Ein Teil des Kolloids produziert stetig einen lokalen (Temperatur-, Konzentrations- oder elektrischen) Gradienten in der umgebenden Flüssigkeit. Ein anderer Teil des Kolloids ist diesem Gradienten ausgesetzt und erfährt hierdurch eine phoretische Kraft, die den Schwimmer antreibt. Aufgrund der Komplexität dieser Systeme bieten sich Computersimulationen als geeignete Methode an, um die Dynamik von Mikroschwimmern zu untersuchen und zu verstehen, insbesondere da einzelne physikalische Wechselwirkungen kontrolliert zu- und abgeschaltet werden können, was eine Abschätzung ihres spezifischen Einflusses auf das System ermöglicht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit thermischen Mikroschwimmern, insbesondere einer Dimer-artigen Konstruktion. Zur Untersuchung wird die mesoskopische Simulationsmethode multi-particle collision dynamics benutzt, die die für Thermophorese notwendigen physikalischen Prozesse, vornehmlich Hydrodynamik und Wärmetransport, korrekt beschreibt. Nach einer allgemeinen Einführung in Thema und Methoden wird eine Erweiterung der grundlegenden Beschreibung phoretischer Effekte auf Thermophorese vorgestellt, in deren Rahmen der thermophoretische Effekt als Kombination der Einflüsse eines Temperaturgradienten und des daraus resultierenden Dichtegradienten interpretiert wird. Diese Beschreibung wird im Rahmen der Thermophorese einzelner Kolloide getestet und zeigt gute Über- einstimmung mit Simulationsergebnissen. Sie ermöglicht eine leichte Vorhersage der Reaktion durch beliebige Wechselwirkungspotentiale modellierter Kolloide auf einen Temperaturgradienten. Die Dynamik einzelner Mikroschwimmer wird für die Referenzmodelle der Janus- und der Dimer-Konstruktion untersucht. Neben der Antriebsgeschwindigkeit zeigt deren geometrische Konstruktion entscheidenden Einfluss auf ihre hydrodynamischen Strömungsfelder. Letztere können sich als Funktion der geometrischen Konstruktion des Schwimmers qualitativ ändern, insbesondere im Sinne eines ausgeprägten Wechsels von lateraler Anziehung zu Abstoßung im Falle des Dimers. Die Untersuchung von Paaren von Dimeren zeigt die Bildung einiger gebundener Zustände auf, die durch depletion-Wechselwirkungen induziert werden. Der Vergleich zu chemisch angetriebenen Mikroschwimmern zeigt, dass das qualitative Verhalten phoretischer Mikroschwimmer nicht von der Art des phoretischen Antriebs abhängt. Die depletion-Wechselwirkung tritt artifiziell in mesoskopischen Simulationen auf. Eine genauere Untersuchung ermöglicht es, durch Auswahl geeigneter Parameter Mikroschwimmer ohne depletion zu modellieren. Darauf aufbauend wird der Fall großer Systeme von Dimeren untersucht. Im Falle phoretischer Anziehung stellt ebendiese den wesentlichsten Einfluss auf die Dynamik der Schwimmer dar und führt zur Bildung stabiler, kristalliner Strukturen. Der entgegengesetzte Fall phoretischer Abstoßung resultiert, im Zusammenspiel mit lateraler hydrodynamischer Anziehung und bei mittleren Dichten, in der Bildung einzigartiger Schwärme von Dimeren mit ausgeprägter Tendenz zur geordneten Bewegung in planaren Schichten. Dieses Schicht-artige Schwarmverhalten von Kolloiden hat Anwendungspotential in Bereichen der weichen Materie und könnte dort neue Konstruktionsmöglichkeiten eröffnen.German
Creators:
CreatorsEmailORCID
Wagner, Martinherrmartinwagner@gmx.deUNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-79028
Subjects: Physics
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
Microswimmers, Thermophoresis, Hydrodynamics, Collective BehaviorEnglish
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Institute for Theoretical Physics
Language: English
Date: 18 September 2017
Date of oral exam: 8 November 2017
Referee:
NameAcademic Title
Gompper, GerhardProf. Dr.
Deiters, Ulrich K.Prof. Dr.
Ripoll, MarisolDr.
Full Text Status: Public
Date Deposited: 08 Dec 2017 10:01
Refereed: Yes
Status: Published
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7902

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