Authors:	Jayaram, Ashreya
Advisor:	Speck, Thomas
Title:	Collective forces and torques in active matter : the role of anisotropy
Online publication date:	16-Feb-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	Statistical mechanics played a key role in the development of modern physics. Going beyond equilibrium systems, the statistical description of non-equilibrium systems has gained significant attention. In particular, active matter has emerged as a paradigm to study the broader class of systems driven out of equilibrium. Motile active matter is composed of autonomous active ``particles'' which, unlike their passive counterparts, have a tendency to move persistently along the direction of preceding displacements. Ranging from nanomachines carrying cargo within our cells to human beings, such matter is ubiquitous in the natural world. Facilitated by advancement in fabrication techniques and computational capability, the past two decades have witnessed an enormous interest in understanding, engineering and controlling active matter. This thesis explores the role of collective forces and torques in active matter with a focus on the effect of geometric anisotropy. In bulk, these forces and torques that result from a combination of propulsion and inter-particle interactions determine the collective behavior of active particles. Moreover, these can also be relayed to boundaries or objects suspended in active matter. The suspended object undergoes linear or angular propulsion depending on its shape. Microscopic engines that rotate in bacterial baths, for example, have been realized based on this principle. In this thesis, first, we study how the manifestation of collective forces and torques shapes the emergent phase behavior of ellipsoidal active particles. The resulting macroscopic structure is determined by how anisotropic the constituent particles are. Secondly, we probe into how an active fluid conveys forces onto passive objects immersed in it. We show that in a periodic system, the force on the object can be related to the vorticity of the polarization of the surrounding active fluid. Finally, we relate the origin of the force on an optically trapped probe in a confined active fluid to the microstructure of its neighborhood. Eine Schl{\"u}sselrolle bei der Entwicklung der modernen Physik spielte die statistische Mechanik, wobei in j{\"ungerer} Zeit die statistische Beschreibung von Nicht-Gleichgewichtssystemen gro{\ss}e Bedeutung erlangt hat. Insbesondere aktive Materie hat sich hierbei als ein Paradigma für die Untersuchung der breiteren Klasse von Systemen erwiesen, die aus dem thermischen Gleichgewicht getrieben sind. Aktive Materie besteht aus autonomen Teilchen, die im Gegensatz zu ihren passiven Gegenst{\"u}cken die Tendenz haben, sich in die Richtung der vorangegangenen Verschiebungen zu bewegen. Von Nanomaschinen, welche f{\"u}r Transportprozesse in unseren Zellen verantwortlich sind, bis hin zu Menschen sind solche Systeme in der nat{\"u}rlichen Welt allgegenw{\"a}rtig. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich das Interesse am Verst{\"a}ndnis, an der Entwicklung und an der Kontrolle aktiver Materie dank der Fortschritte bei der Herstellung und den Rechenkapazit{\"a}ten enorm verst{\"a}rkt. In dieser Arbeit wird die Rolle von kollektiven Kr{\"a}ften und Drehmomenten in aktiver Materie untersucht, wobei der Schwerpunkt auf den Auswirkungen der geometrischen Anisotropie der Teilchen liegt. Diese Kr{\"a}fte und Momente, die aus einer Kombination von Antrieb und Wechselwirkungen zwischen den Teilchen resultieren, bestimmen das kollektive Verhalten aktiver Teilchen. Dar{\"u}ber hinaus k{\"o}nnen sie auch auf W{\"a}nde und Objekte, welche von aktiver Materie umschlossen sind, {\"u}bertragen werden. Das Objekt erf{\"a}hrt je nach seiner Form eine gerichtete lineare oder Rotationsbewegung. Auf der Grundlage dieses Prinzips wurden z.B. mikroskopische Motoren realisiert, welche durch eine bakterielle Suspension in Rotation versetzt werden. In dieser Arbeit wird zun{\"a}chst untersucht, wie kollektive Kr{\"a}fte und Drehmomente das emergente Phasenverhalten ellipsoidischer aktiver Teilchen pr{\"a}gen. Die resultierende makroskopische Struktur wird dabei durch die Anisotropie der Teilchen bestimmt. Zweitens untersuchen wir, wie eine aktive Fl{\"u}ssigkeit Kr{\"a}fte auf passive Objekte {\"u}bertr{\"a}gt. Wir zeigen, dass in einem periodischen System die auf das Objekt wirkende Kraft mit der Wirbelst{\"a}rke der Polarisation der umgebenden aktiven Fl{\"u}ssigkeit in Verbindung gebracht werden kann. Schlie{\ss}lich setzen wir den Ursprung der Kraft auf eine optisch gefangene Sonde in der N{\"a}he einer begrenzenden Wand mit der Mikrostruktur der aktiven Fl{\"u}ssigkeit in Beziehung.
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-8729
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-40c22a5e-9031-429a-ab2d-937cb09a2f537
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Extent:	101 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen