Propulsion and Interaction of Hot Brownian Swimmers

热布朗游泳者的推进和相互作用

基本信息

项目摘要

Self-thermophoretic (hot) microswimmers are versatile and prototypical active particles driven by thermo-osmotic flows excited by heating at the particle surface and nearby substrates. Their interesting nonequilibrium Brownian fluctuations are theoretically and experimentally well under control. Our highly optimised parallel numerical code for supporting nonequilibrium molecular dynamics simulations establishes an independent platform to link experiment and theory. Based on the results of the preceding funding period, we will concert experiments, simulations, and theory to further elucidate the mutual interactions of swimmers and interactions with substrate surfaces. We will continue to employ the innovative technique of photon nudging for a force-free and torque-free manipulation and steering of hot swimmers, and extend it to allow for controlled measurements of the swim pressure and surface tension of flocks of hot swimmers experimentally. Theoretically, we will extend our recent progress in the systematic coarse-graining of interacting assemblies of so-called active-Brownian-particles (ABP), for which we could unambiguously derive formal expressions for the so-called swim pressure and the surface tension. We will extend this analysis to a (wet) microscopic model with momentum conservation, representing swimming by a velocity rather than by the classical (dry) ABP swim force. Eventually, we aim at an inclusion of the swimmer-specific interactions revealed by our simulations and experiments. In a more applied direction, it will be interesting to extend or supersede the physical interactions between our hot swimmers by specifically tailored artificial interactions. We plan to implement a feedback control via photon nudging as a mechanism for swimmers to mutually interact via an exchange of (delayed) information. These will be suitable to mimic the effect of information-triggered flocking in living systems. In the long run, this should turn our model system of hot swimmers into a versatile experimental laboratory to emulate generic active matter systems.
自热泳(热)微型游泳器是一种多功能的原型活性颗粒,由颗粒表面和附近基质的加热激发的热渗透流驱动,它们有趣的非平衡布朗波动在理论上和实验上都受到我们高度优化的并行数值代码的控制。支持非平衡分子动力学模拟,建立一个连接实验和理论的独立平台,在前期资助成果的基础上,我们将把实验、模拟和理论结合起来,进一步推进。我们将继续采用光子助推的创新技术,对热游泳者进行无力和无扭矩的操纵和转向,并将其扩展以允许对游泳者进行受控测量。从理论上讲,我们将扩展我们在所谓的活性布朗粒子相互作用组装体的系统粗粒化方面的最新进展。 (ABP),我们可以明确地推导出所谓的游泳压力和表面张力的形式表达式,我们将把这种分析扩展到具有动量守恒的(湿)微观模型,用速度而不是经典的方式来表示游泳。 (干)ABP 游泳力。最终,我们的目标是包含我们的模拟和实验所揭示的游泳者特定的相互作用,在更实用的方向上,通过专门的方法来扩展或取代我们的热游泳者之间的物理相互作用将是很有趣的。量身定制我们计划通过光子推动来实现反馈控制,作为游泳者通过交换(延迟)信息进行交互的机制,这将适合模拟生命系统中信息触发的集群效应。运行,这应该将我们的热游泳者模型系统变成一个多功能的实验实验室,以模拟通用的活性物质系统。

项目成果

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