Chemotaxis of self-phoretic active particles and bacteria [article]

Oliver Pohl, Holger Stark, Technische Universität Berlin, Technische Universität Berlin
2016
Chemotaxis in Systemen aktiver Teilchen ist ein äußerst interessantes Forschungsfeld. Typischerweise untersucht man dafür Zellkolonien. Zuletzt wurde jedoch die Bewegung von aktivierten Kolloiden entlang von chemikalischen Gradienten in Experimenten nachgewiesen, ein Effekt, der auf Diffusiophorese zurückgeführt werden kann. In solchen Systemen im Nichtequilibriumszustand treten neuartige Typen kollektiven Verhaltens auf, zum Beispiel "dynamic clustering" (dynamische Aggregation). Theoretische
more » ... ion). Theoretische Studien konzentrierten sich bisher vorwiegend auf das kollektive Verhalten ohne Diffusiophorese, obwohl solche Systeme experimentell schwieriger zu realisieren sind. In dieser Arbeit führen wir ein Modell aktiver Kolloide ein, das Diffusiophorese berücksichtigt. Letzterer Effekt führt zu Interaktionen zwischen den Teilchen, die durch ein chemisches Feld übertragen werden. Dabei zeigen wir, dass für die von uns betrachteten Janusteilchen Diffusiophorese nicht nur zu einer translativen Anziehung (Abstoßung) führt, sondern sich zusätzlich die Teilchen aufeinander zu (voneinander weg) bewegen. Zusätzlich berücksichtigen wir, dass die Interaktionen zwischen den Kolloiden in Gebieten mit hoher Teilchendichte abgeschirmt werden können, weil die zuvor erwähnte Chemikalie nicht frei diffundieren kann. In numerischen Simulationen zeigen wir, dass dieses Modell "dynamic clustering" dann reproduziert, wenn die Teilchen voneinander weg schwimmen, aber sich gegenseitig anziehen. Wir unterteilen diese Phase dynamischen Aggregierens in "dynamic clustering 1" und "dynamic clustering 2", wobei wir die Größenverteilungen von Clustern analysieren. Des weiteren beobachten wir einen rapiden Übergang in eine sogenannte kollabierte Phase. Wir überführen unsere Modellgleichungen in die Keller-Segel-Gleichungen, wodurch wir diesen Übergang erklären können. Bei einer genaueren Untersuchung der kollabierten Phase finden wir einen oszillierenden Cluster für bestimmte Parameterkonstellationen. Zuletzt bestimmen wir [...]
doi:10.14279/depositonce-5409 fatcat:ucftvcsqmjdw7d7okz2b5y2mby