Selbstgetriebene Kolloide in optischen Potenzialen

• Antragsteller: Professor Dr. Ivo Buttinoni; Professor Dr. Hartmut Löwen
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 522595197

Synthetische aktive Kolloide, das sind Mikropartikel in einer Flüssigkeit mit einem eigenen Antrieb, bieten ein hervorragendes Potential zur Herstellung von Metamaterialien mit neuartigen intrinsischen Eigenschaften. Selbstgetriebene Januspartikel zeigen zum Beispiel kooperative Bewegungsmuster, die der Schwarm- und Herdenbildung in belebter Materie ähneln. Diese spannenden Nichtgleichgewichtseffekte ergeben sich aus einem Zusammenspiel von Selbstantrieb, Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung, Rauschen und externen Einflüssen. Obwohl viele Arbeiten in letzter Zeit die kollektive Bewegung von aktiven Kolloidsuspensionen in einfacher und komplexer Umgebung untersucht haben, ist der mikroskopische Ursprung der Wechselwirkung zwischen den aktiven Teilchen immer noch unklar und werden zurzeit heftig debattiert. Auch die Auswirkungen dieser Wechselwirkung auf die Partikeldynamik beim thermischen Abschrecken und in extern aufgeprägten zufällige zeitabhängige Energielandschaften sind spannende neue Forschungsfelder. In diesem Projekt möchten wir diese fundamentale und ungeklärte Frage nach den Wechselwirkungen zwischen aktiven Kolloiden experimentell beantworten, indem wir die Bewegung von aktiven Kolloiden in laseroptischen Fallen untersuchen und die gemessenen Daten systematisch mit Computersimulationen vergleichen. Laserpinzetten haben sich in der Tat als ein leistungsfähiges Werkzeug im Bereich der weichen Materie etabliert, aber es gibt bislang nur sehr wenige Beispiele, wo sie für aktive Kolloide genutzt werden. Aufbauend auf unseren kürzlich erhaltenen Ergebnissen zur aktiven Brownschen Bewegung in harmonischen Laserfallen werden wir (1) die Wechselwirkungskräfte zwischen einem Paar von aktiven Kolloiden bestimmen und die Rolle von (2) thermischem Abschrecken und (3) externem Rauschen in aktiver Materie aufklären. In (2) werden wir den „Kolloid-Mpemba-Effekt“ untersuchen. Dieser besitzt Ähnlichkeiten zum anomalen Abkühlen von Wasser, was bereits Aristoteles bekannt war: heißes Wasser gefriert schneller als warmes Wasser. In (3) werden wir die aktive Bewegung in Zufallsenergielandschaften betrachten, indem wir ein Ensemble von zufällig aufgestellten Laserfallen sowohl experimentell wie theoretisch untersuchen und damit eine überall in der Natur auftretende zeitabhängige Unordnung modellieren. In der ersten Förderperiode soll vorrangig ein einzelnes Teilchen oder ein Teilchenpaar in einer Falle, in einer verrauschten Falle oder in einer Zufallsenergielandschaft untersucht werden. Mit den so gewonnenen Erkenntnissen soll dann in der zweiten Förderperiode vor allem das kollektive Verhalten von vielen wechselwirkenden aktiven Teilchen in komplexen Zufallsumgebungen studiert werden. Unser Fernziel besteht in einer systematischen Wegweisung zur kontrollierten Herstellung von aktiven Kolloidmaterialien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen