Logo PTB
Symbolbild "Zeitschriften"

Kontrolle aktiver Fluide

Turbulenzen in Bakteriensuspensionen und anderen aktiven Fluiden erstmals theoretisch beschrieben

PTBnews 1.2021
07.01.2021
Besonders interessant für

Biologie, Medizin, z. B. Biofilm-Entstehung

Technik, z. B. neue Materialien

In einer Kooperation der PTB mit der TU Berlin gelang es, die experimentell beobachtete Turbulenzbildung in der neuartigen Klasse der aktiven Fluide sowohl theoretisch zu beschreiben als auch solche Bewegungen kontrolliert zu erzeugen.

Stabilisiertes Quadratwirbelgitter. (L: Gitterkonstante periodisch angeordneter Hindernisse, ROI: „Region of Interest“, in der die Wirbelstatistik im Experiment mit der theoretischen Vorhersage verglichen wurde)

Schwimmende Bakterien können durch ihre Geißeln oder Flagellen die Bewegung der gesamten Suspension bestimmen. Diese sogenannten aktiven Fluide werden also nicht makroskopisch in Form äußerer Gradienten, sondern auf der „mikroskopischen“ Skala der aktiven Teilchen getrieben. Aktive Fluide eröffnen damit ein spannendes neues Feld der Physik fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht.

In Bakteriensuspensionen kann sich eine turbulenzartige Dynamik bilden, die Mesoskalenturbulenz genannt wird. In der PTB wurde gezeigt, dass diese Turbulenz einem ungeordneten dynamischen Wirbelgitter mit einem typischen mittleren Abstand zwischen benachbarten Wirbeln entspricht.

Für künftige Anwendungen interessant ist dabei nicht nur die korrekte theoretische Beschreibung dieser Klasse von neuartigen Fluiden, sondern auch die Möglichkeit der Kontrolle der kollektiven Bewegung. Dies gelang in Zusammenarbeit mit der TU Berlin im Rahmen des SFB 910 „Kontrolle selbstorganisierter Systeme“. In einem Experiment des Argonne National Laboratory mit Bakteriensuspensionen wurden periodisch angeordnete Hindernisse („Pillars“) auf einer Glasplatte erzeugt, die zu einer Stabilisierung eines fast perfekten quadratischen Wirbelgitters führten. Diese Beobachtung konnte mit einer neuen theoretischen Beschreibung reproduziert werden. Eine Herausforderung stellte dabei die Ableitung der Randbedingungen an den Hindernissen dar. Das Modell erlaubte darüber hinaus noch vorherzusagen, dass bei Verwendung geeigneter Hindernisgrößen auch stabile Wirbelgitter mit anderer Symmetrie (z. B. hexagonal) realisierbar sind. Es entsteht ein sogenanntes Kagome-Gitter, in dessen Umgebung sich eine zirkuläre Strömung ausbildet. In Analogie zur Festkörperphysik kann hier von einer topologischen aktiven Flüssigkeit gesprochen werden. Die Simulationen bestätigen zudem, dass die Stabilisierung nur dann erfolgt, wenn das Hindernisgitter eine räumliche Periode im Bereich der charakteristischen Längenskala der Mesoskalenturbulenz hat.

Damit ist ein Weg aufgezeigt, die Turbulenz aktiver Fluide zu kontrollieren und in ein reguläres Bewegungsmuster zu transformieren. Auf diese Weise könnte, durch den Einsatz bestimmter nanostrukturierter Oberflächen, die Bildung ungewollter Biofilme erschwert werden.

Ansprechpartner

Sebastian Heidenreich
Fachbereich 8.4
Mathematische Modellierung und Datenanalyse
Telefon: (030) 3481-7726
Opens local program for sending emailsebastian.heidenreich(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

H. Reinken, D. Nishiguchi, S. Heidenreich, A. Sokolov, M. Bär, S. H. L. Klapp, I. S. Aranson: Organizing bacterial vortex lattices by periodic obstacle arrays. Commun. Phys. 3 (2020)