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Alumni-Preis 2022

Nils Severin Göth für seine Masterarbeit: "Modeling of Active Responsive Colloids Driven by an Internal Dichotomous Noise"

Alumni-Preis 2022

Nils Severin Göth


Betreuer: Prof. Dr. J. Dzubiella
 

Kurzzusammenfassung der Arbeit (deutsch):

Bei der Entwicklung von intelligenten und "lebendigen" Materialien lassen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler häufig von bewährten Konzepten aus der Natur inspirieren [1]. Ein Beispiel hierfür sind aktive Einheiten wie etwa Bakterien oder Zellen. Anders als bei inaktiver Materie, wie Wolle oder Plastik, besitzen diese eine Energiequelle, welche verbraucht wird. Eine vielversprechende Idee einer künstlichen Umsetzung sind reagierende Kolloide aus Polymerketten, die bei Änderung von Temperatur oder pH-Wert ihre Eigenschaften ändern. Diese Kolloide können mit Brennstoff ausgestattet werden, welcher die einzelnen Kolloide aktiv macht [2].

Diese Arbeit untersucht ein mögliches Modell von reagierenden aktiven Kolloiden auf theoretischer Basis und mit Hilfe von Computersimulationen. Hierbei werden die Kolloide als kugelförmige Teilchen mit einem variablen Durchmesser beschrieben. Dadurch ist die Größe der Teilchen ein weiterer (interner) Freiheitsgrad, der zu den drei Freiheitsgraden der Translation hinzukommt. Zwischen den Teilchen gibt es ein Wechselwirkungspotential, welches bei einem Überlapp von zwei Teilchen nicht nur zu einer Abstoßung, sondern auch zu einem Schrumpfen der beiden Teilchen führt. Dadurch reagieren die Teilchen auf eine höhere lokale Dichte mit einem Schrumpfen, weswegen ihnen das Adjektiv "reagierend" zugeschrieben wird. Um die Teilchen intern aktiv zu machen, wird der Freiheitsgrad der Größe mit einem dichotomen Rauschen getrieben, was einer Art stochastischem Atmen entspricht. Konkret bedeutet es, dass die Teilchen mit einer vorgegebenen Rate stochastisch zwischen einem wachsenden und einem schrumpfenden Zustand wechseln. Diese Rate beeinflusst maßgeblich die Wahrscheinlichkeitsverteilung mit der bestimmte Teilchengrößen auftreten. Mit Computersimulationen auf Basis von Brownscher Bewegung wurden Dichteabhängigkeiten untersucht. Dabei wurde unter anderem ein Übergang der Teilchengrößen-Verteilung von unimodal (ein Peak) zu bimodal (zwei Peaks) gefunden. Des Weiteren wurde ein reichhaltiges Verhalten von Struktur und Dynamik des Systems beobachtet. Die Simulationsergebnisse wurden mit einer Störungstheorie für geringe Dichten unterstützt, welche die beobachteten Trends qualitativ gut wiedergibt.

Wir kommen zu dem Schluss, dass kontrollierbare, interne stochastische Prozesse ein mächtiges Werkzeug für aktive Materialien sind, da sie autonome Veränderungen in der kollektiven Struktur und Dynamik des Systems ermöglichen. Dadurch ist dies nicht nur für Bakterien interessant, sondern auch für das Tuning makroskopischer Eigenschaften von Materialien der nächsten Generation.

[1] B. C. Buddingh’ and J. C. M. van Hest, Acc of Chem. Res. 50, 769 (2017).
[2] J. Heckel, S. Loescher, R. T. Mathers, and A. Walther, Angew. Chem., Int. Ed. 60, 7117 (2021).

 

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