Theory of the collective nonequilibrium dynamics of active colloidal particles

• Applicant: Professor Dr. Raphael Wittkowski
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2012 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 232221445

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Im Laufe dieses Forschungsprojekts untersuchte ich vor allem die Nichtgleichgewichtsdynamik aktiver, d.h. selbstangetriebener, in einer Flüssigkeit dispergierter kolloidaler Teilchen (auch Mikroschwimmer genannt) mit Hilfe speziell dafür hergeleiteter mikroskopischer Theorien. Neben der kollektiven Dynamik aktiver kolloidaler Teilchen untersuchte ich auch ihre individuelle Dynamik und Fragen im Bereich passiver anisometrischer kolloidaler Teilchen. Zu den wichtigsten Ergebnissen dieses Projekts gehören 1.) eine starke Erweiterung der klassischen dynamischen Dichtefunktionaltheorie, 2.) ein Aktives Modell B, das Clusterbildung und dynamische Phasenseparation in aktiven Suspensionen beschreiben kann und einen Sprung des aktiven Drucks an Phasengrenzflächen vorhersagt, der im Gegensatz zum Laplace-Druck bei ebenen Grenzflächen nicht verschwindet, 3.) ein Aktives Modell H, das unser Aktives Modell B mit einer Gleichung für das Geschwindigkeitsfeld der die aktiven Teilchen umgebenden Flüssigkeit koppelt und für kontraktile Teilchen einen negativen aktiven Beitrag zur Grenzflächenspannung vorhersagt, der das Clusterwachstum bei einer bestimmten Clustergröße anhält und zu Mikrophasenseparation führt, 4.) ein exakter Ausdruck für den mechanischen Druck in aktiven Suspensionen, 5.) die Beobachtung von Clusterbildung in Mischungen repulsiver aktiver und passiver kolloidaler Teilchen schon bei einem geringen Anteil der aktiven Teilchen an allen Teilchen, 6.) ein Ausdruck, der es ermöglicht, aus der orientierungsaufgelösten Trajektorie eines beliebig geformten kolloidalen Teilchens seine hydrodynamische Reibungsmatrix zu berechnen, und 7.) die Beobachtung von Gravitaxis bei künstlichen, anisometrischen, aktiven, kolloidalen Teilchen mit homogener Massendichte. Die Ergebnisse dieses Projekts sind nicht nur für die Statistische Physik relevant, sondern auch für die Biologie und Materialwissenschaften von Bedeutung. Sie führten zu Erfolgsberichten in den Medien.

Publications

• Gravitaxis of asymmetric self-propelled colloidal particles, Nature Communications 5, 4829 (2014)
  B. ten Hagen, F. Kümmel, R. Wittkowski, D. Takagi, H. Löwen, C. Bechinger
  
• Scalar φ4 field theory for active-particle phase separation, Nature Communications 5, 4351 (2014)
  R. Wittkowski, A. Tiribocchi, J. Stenhammar, R. J. Allen, D. Marenduzzo, M. E. Cates
  
• Activity-induced phase separation and self-assembly in mixtures of active and passive particles, Physical Review Letters 114, 018301 (2015)
  J. Stenhammar, R. Wittkowski, D. Marenduzzo, M. E. Cates
  
• Pressure and phase equilibria in interacting active Brownian spheres, Physical Review Letters (2015)
  A. P. Solon, J. Stenhammar, R. Wittkowski, M. Kardar, Y. Kafri, M. E. Cates, J. Tailleur