Authors:	Fischer, Andreas
Title:	Self-organization of active matter: The role of interactions
Online publication date:	24-Sep-2020
Year of first publication:	2020
Language:	english
Abstract:	Active matter has received considerable attention in recent years. Its constituents, active particles, have the ability to convert free energy into directed motion by which they drive themselves out of thermal equilibrium. The field of active matter encompasses a multitude of biological systems on different length scales: from running, flying or swimming macroscopic animals down to motile bacteria and sperm cells. Moreover, synthetic microscopic active particles that either draw inspiration from biological microswimmers or propel via novel mechanisms have been devised. The combination of self-propelled motion and interactions between active particles gives rise to a wealth of fascinating self-organized collective behaviors, such as the formation of flocks of birds, collective cell migration and the motility-induced phase separation of active Janus colloids. In this thesis, we investigate several self-organized phenomena in systems of active particles via numerical simulations and analytical theory. A major goal of this work is to elucidate how the properties of interactions (e.g., their strength and range) affect the emergent collective behavior. We first deal with the motility-induced phase separation of active particles that interact via short-ranged repulsive potentials. In contrast to the conventional model of active Brownian particles, we take into account the self-propulsion mechanism via a chemical reaction in a thermodynamically consistent way. This influences the resulting phase behavior, especially for soft particles. In a second system, inspired by bacterial quorum sensing, we study active particles that discontinuously change their motility at a threshold concentration of self-generated chemical signals. This interaction leads to a separation of the system into regions of different motility. Via numerical simulations, we show that the densities and sizes of the phases sensitively depend on the concentration threshold, the interaction range and the self-propulsion speed. We compare our results to experiments of light-activated Janus colloids and develop a mean-field theory that yields quantitative agreement with the simulations. Finally, we investigate active colloidal clusters that self-assemble from passive building blocks. Using the approach speeds of particle pairs obtained from experiments as input, we develop a model that disentangles the interplay of reciprocal and nonreciprocal effective interactions giving rise to self-propulsion and quantitatively predicts the motion of larger clusters. Aktive Materie hat in den letzten Jahren erhebliche Aufmerksamkeit erregt. Sie besteht aus aktiven Teilchen, welche die Fähigkeit haben, freie Energie in gerichtete Bewegung umzuwandeln, wodurch sie sich selbst aus dem thermischen Gleichgewicht bringen. Das Feld der aktiven Materie umfasst eine Vielzahl biologischer Systeme auf verschiedenen Längenskalen: Von laufenden, fliegenden oder schwimmenden makroskopischen Tieren bis hin zu motilen Bakterien und Spermien. Darüber hinaus wurden synthetische mikroskopische aktive Teilchen entwickelt, die entweder von biologischen Mikroschwimmern inspiriert sind oder neuartige Antriebsmechanismen verwenden. Die Kombination von Selbstantrieb und Interaktionen zwischen aktiven Teilchen ruft eine Vielzahl faszinierender selbstorganisierter kollektiver Phänomene hervor, wie die Bildung von Vogelschwärmen, kollektive Zellmigration oder die motilitätsinduzierte Phasenseparation von aktiven Janus-Kolloiden. In dieser Arbeit werden verschiedene selbstorganisierte Vorgänge in Systemen aktiver Teilchen mithilfe numerischer Simulationen und analytischer Theorie untersucht. Ein Hauptziel dieser Arbeit ist zu klären, wie die Eigenschaften von Interaktionen (beispielsweise ihre Stärke und Reichweite) das emergente kollektive Verhalten beeinflussen. Zunächst wird die motilitätsinduzierte Phasenseparation aktiver Teilchen behandelt, die über kurzreichweitige, abstoßende Potentiale wechselwirken. Im Gegensatz zum herkömmlichen Modell aktiver Brownscher Teilchen wird der Selbstantriebsmechanismus mittels einer chemischen Reaktion thermodynamisch konsistent einbezogen. Insbesondere für weiche Teilchen wird das Phasenverhalten dadurch merklich beeinflusst. Im Anschluss werden aktive Teilchen untersucht, die, inspiriert von bakteriellem Quorum sensing, ihre Motilität beim Erreichen einer Konzentrationsschwelle von selbst generierten chemischen Signalen diskontinuierlich ändern. Diese Wechselwirkung führt zu einer Separation des Systems in Regionen unterschiedlicher Motilität. Mithilfe numerischer Simulationen wird gezeigt, dass die Dichten und Ausdehnungen der Phasen empfindlich von der Konzentrationsschwelle, der Wechselwirkungsreichweite und der Selbstantriebsgeschwindigkeit abhängen. Die Resultate werden mit Experimenten an Licht-aktivierten Janus-Kolloiden verglichen und es wird eine Mean-Field-Theorie ausgearbeitet, die quantitative Übereinstimmung mit den Simulationen erzielt. Zuletzt werden aktive kolloidale Cluster untersucht, die sich aus passiven Bausteinen selbst-assemblieren. Es wird ein Modell entwickelt, das, ausgehend von im Experiment gemessenen Relativgeschwindigkeiten von Teilchenpaaren, das zum Selbstantrieb führende Zusammenspiel von reziproken und nicht-reziproken effektiven Interaktionen beschreibt, sowie die Dynamik größerer Cluster quantitativ voraussagt.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-5116
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-ee41e920-f158-4431-877a-e0696df582f46
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xi, 135 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen