Lichtinduzierte Diffusioosmose: von der Manipulation über Eigenantrieb zu kollektivem Verhalten von Mikrokolloiden an flüssigfest Grenzflächen

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Svetlana Santer; Professorin Dr. Olga Vinogradova
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254952763

In diesem Projekt soll ein neuartiger Antriebsmechanismus für Mikroschwimmer etabliert und detailliert untersucht werden. Es sollen dabei physikalische Mechanismen der Diffusioosmose ausgenutzt werden, die zuvor von uns erstmals in azobenzolhaltigen wässrigen Lösungen an fest-flüssig-Grenzflächen untersucht wurden. Dieser Effekt, der auf lokale Gradienten in der Verteilung von cis- und transisomeren zurückzuführen ist, resultiert etwa nach Belichtung mit einem UV-Laserspot in einem fokussierten hydrodynamischen Fluss, der in der Lage ist, an der Grenzfläche adsorbierte Partikel zu bewegen. Unter ähnlichen Bedingungen können auch Januspartikel dazu angeregt werden, eine selbstgetriebene Bewegung auszuführen, wie wir in vorläufgen Experimenten verifizieren konnten. Dies hat weitreichende Konsequenzen wie Mikroschwimmer und ihr kollektives Verhalten studiert werden können. Beispielsweise lässt sich leicht die selbstgetriebene mit dem externen Mechanismus kombinieren, was neue Möglichkeiten bei der Untersuchung der Schwarmbildung und Dynamik eröffnet. Da die Partikel/Mikroschwimmer durch die Wechselwirkung mit der Fest-Flüssiggrenzfläche an dieser gefangen sind, sich jedoch lateral frei bewegen können, ist die Strukturierung des Substrats eine Möglichkeit, die selbstgetriebene Bewegung zusätzlich zu beeinflussen. Die Arbeiten im geplanten Projekt umfassen zunächst die genaue Untersuchung der Natur des Partikelantriebs, was in Kollaboration von Experiment (Prof. Santer, UP, Potsdam) und Theorie (Prof. Vinogradova, DWI, Aachen) durchgeführt wird. Im Weiteren werden sich die Forschungen besonders auf poröse Partikel konzentrieren, die bei Belichtung mit UV in wässriger, azobenzolhaltiger Lösung hydrodynamische Effekte erzeugen, die die Kolloid-Kolloid-Wechselwirkung in dichten Ensembles entscheidend beeinflussen kann. Im letzten Teil der Forschungsarbeiten steht die Untersuchung kollektiver Partikelbewegung im Vordergrund, wobei die verschiedenen Elemente der experimentellen Umgebung kombiniert werden sollen, ähnlich einem Baukastenprinzip. So kann beispielsweise das kollektive Verhalten von Mikroschwimmern analysiert werden, deren Bewegung durch eine Anordnung aus flachen Mikrokanälen eingeschränkt ist; Partikeldichte und die Ausdehnung eines Schwarms lassen sich während des Experiments mit licht-induzierter, diffusioosmotisch getriebener Hydrodynamik verändern

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