Künstliche Mikroschwimmer auf der Basis von Flüssigkristalltröpfchen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Christian Bahr; Professorin Dr. Corinna Maaß
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253358262

Unser experimentelles Projekt befasst sich mit autonom schwimmenden Flüssigkristalltropfen in einer wässrigen Tensidlösung und deren Eignung als biomimetisches Modellsystem. Schwimmende Mikroorganismen wie Plankton und Einzeller sind von hohem Interesse bezüglich ihrer Fortbewegungsmechanismen wie Chemotaxis, autochemotaktischer Signale, und helikalen Schwimmens (z. B. bei Spermien), des Weiteren in ihrer Interaktion mit Grenzflächen und eingeschränkten Geometrien (z. B. im Erdreich), und anhand kollektiver Prozesse wie Biokonvektion, gerade im Hinblick auf ozeanische Planktondynamik. In der ersten Förderperiode wurde nachgewiesen, dass schon an einem einfachen Tropfensystem aus drei Komponenten viele dieser Effekte beobachtet und beeinflusst werden können. Dazu zählen Massenfertigung monodisperser Tropfen, Langlebigkeit und reproduzierbares Schwimmverhalten, schaltbares helikales Schwimmen aufgrund nematischer Anisotropie, Chemotaxis und Autochemotaxis entlang Gradienten von Tensidmizellen, Wechselwirkung mit geraden und gekrümmten Wänden, der Übergang von sedimentiertem Schwimmen an Grenzflächen zum freien Schweben durch Dichteanpassung mit schwerem Wasser und die Beobachtung von gravitations- und dimensionsabhängigen Konvektionsrollen in kollektiven Tropfensystemen. Zur Beobachtung der Schwimmer wurden sowohl komplexe mikrofluidische Geometrien unter Lichtmikroskopie verwendet als auch ein Fluoreszenz-Lichtblattmikroskop gebaut, das zur Untersuchung von schwebenden Tropfen und des kollektiv-konvektiven Verhaltens in dreidimensionaler Umgebung geeignet ist. Des Weiteren konnten wir die Strömungsfelder in und um die Tropfen mithilfe optischer Verfahren (PIV) abbilden und die nematische Defektstruktur im Tropfen über Polarisationsmikroskopie beobachten. In der zweiten Förderperiode soll, unterstützt von Theorieprojekten im Schwerpunktprogramm, offenen Fragen an Erweiterungen des Basissystems nachgegangen werden. Dazu gehört das Schwimmverhalten in Abhängigkeit von der inneren Struktur des Flüssigkristalls, verändert z. B. durch Beimischungen anderer Nematogene oder chiraler Moleküle, durch den Einschluss von Wassertropfen oder durch den Einfluss von Magnetfeldern. Die Morphologie der helikalen Trajektorien wird durch die negative Autochemotaxis der Tropfen, also Spurvermeidung, beeinflusst; dies soll quantifiziert werden. Die Wechselwirkung der Schwimmer mit festen Oberflächen, die sowohl von hydrodynamischen als auch phoretischen Feldern abhängt, soll am Übergang zwischen quasi zwei- und dreidimensionalen Geometrien an gerade und gebogenen Wänden untersucht und modelliert werden. Das wichtigste Ziel ist ein möglichst vollständiges Verständnis des kollektiven Verhaltens, das zur Bildung von Clustern in dreidimensionaler Umgebung führt. Hierzu soll mithilfe des Lichtblattmikroskops die Dynamik in Ensemblen aus vielen Schwimmern in Abhängigkeit von der effektiven Gravitation und der Schwimmergeschwindigkeit eingehend untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1726: Mikroschwimmer - Von Einzelpartikelbewegung zu kollektivem Verhalten