Towards autonomous soft matter systems: Experiments on membranes and active emulsions

Abstract

Es werden Experimente über Lipid-Doppelmembranen und Nichtgleichgewichtsphänomene in Tröpfchen aus aktiven Emulsionen präsentiert. Im ersten Teil wird das Konzept selbstassemblierende Baugruppen aus weicher Materie beschrieben, basierend auf Mikrofluidik, welche Tensiddoppelmembranen als ihre Hauptbestandteile verwenden. Membrane bilden sich spontan, wenn geeignete Wasser-Öl Emulsionen mit hohem Volumenanteil der dispersen Phase in mikrofluidische Kanäle gezwungen werden. Diese Membranen sind erstaunlich stabil, auch wenn sie durch mikrofluidische Kanalsysteme gepumpt werden. Ihre geometrische Struktur bildet sich durch Selbstorganisation, angetrieben durch Grenzflächen- und Benetzungsenergie. Die Membranansysteme können benutzt werden, um nasse elektronische Schaltkreise zu bauen, mit wässrigen Tröpfchen als Lötstellen . Des weiteren können Membranen als gut kontrollierbares Kopplungsmedium dienen zwischen chemischen Oszillatoren in benachbarten Tröpfchen, wie für die wohl bekannte Belousov-Zhabotinski-Reaktion gezeigt wird. Weiterhin erforschen wird die Verschmelzungsdynamik von Vesikeln mit Doppelmembranen untersucht. Insbesondere wird der Verschmelzungsprozess studiert, der durch SNARE-Proteine vermittelt wird, die in den Membranen eingebettet sind. Es wird gezeigt, dass die elektrostatische Abstoßung zwischen den Membranen die Verschmelzung verhindert. Die Abstoßung wird verursacht durch elektrostatisch geladene Lipide, die in den Membranen enthalten sind. Unter solchen Bedingungen können konformative Veränderungen des Membranproteins Synaptotagmin-1, unter Einfluss von Ca2+, die Membranverschmelzung wieder ermöglichen. Wir zeigen also zum ersten mal in vitro den massiven durch Ca2+ ausgelösen Anstieg der Membranverschmelzung, der auch in vivo stattfindet. Weiterhin präsentieren wir eine auf Phasenkontrast -Abbildungsmethode, die es gestattet die Struktur und Grenzflächeneigenschaften von ultra-dünnen Modellmembranen zu untersuchen. Wir präsentieren das Prinzip aktiver selbstangetriebener flüssiger Mikrotropfen, das die Fortbewegung einiger Einzeller, so genannter squirmer , mit großer Ähnlichkeit nachbildet. Im Gegensatz zu anderen Modellsystemen, die in der Vergangenheit vorgeschlagen wurden, zeigen wir, dass sich der Pfad kreuzen kann, auf dem sich ein Schwimmer fortbewegt. Das liegt daran, dass der squirmer nur einen schwachen Einfluss auf das ihn umgebende Medium hat. Unsere Ergebnisse lassen darauf schließen, dass nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch der Modus der Fortbewegung (d.h. die spärischen Harmonischen des Geschwindigkeitsfeldes) durch geeignete Variation der Parameter kontrolliert werden kann. Das Kollektivverhalten solcher selbstangetriebener Flüssigkeitstropfen wurde experimentell untersucht. Wir finden eine starke Korrelation der Fortbewegungsrichtungen benachbarter Tropfen, was auf die Bildung geordneter Schwärme weist. Dies zeigt, dass stark ausgeprägte Strukturen in Ansammlungen einfacher Modellschwimmer auftauchen können jenseits dessen was bis jetzt in Simulationen beobachtet wurde, und dies trotz der Einfachheit ihrer (rein physikalischen) Wechselwirkung. Die selbstangetriebenen Tropfen sind als solche nicht beschränkt durch klassische Gleichgewichtsbedingungen wie das Fluktuations- Dissipations-Theorem. Es wird eine Korrelationsratsche präsentiert, die auf einer Brechung der detaillierten Bilanz beruht und einen ein passiven Gleichrichtungseffekt bei einer Population von Schwimmern zeigt. Schließlich wird die kollektive Dynamik von Schwimmerpopulation, in eine Dimension untersucht. Wenn dieKurzzeitdynamik der Schwimmer ballistisch ist, beobachtet man einen Übergang zu diffusivem Verhalten bei langen Zeiten, wie von der Single File Diffusion bekannt. Ist die Kurzzeitdynamik diffusiv, beobachten man, dass die Langzeitdynamik einem anormalen Diffusionsgesetz folgt, wie von der Theorie ebenfalls vorhergesagt.