dc.contributor.advisor | Mazza, Marco Giacomo Dr. | |
dc.contributor.author | Breier, Rebekka Elisabeth | |
dc.date.accessioned | 2017-08-04T08:58:47Z | |
dc.date.available | 2017-08-04T08:58:47Z | |
dc.date.issued | 2017-08-04 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0023-3EC4-6 | |
dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6421 | |
dc.language.iso | eng | de |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
dc.subject.ddc | 530 | de |
dc.title | Three-dimensional nonequilibrium steady state of active particles: symmetry breaking and clustering | de |
dc.type | doctoralThesis | de |
dc.contributor.referee | Müller, Marcus Prof. Dr. | |
dc.date.examination | 2017-06-02 | |
dc.subject.gok | Physik (PPN621336750) | de |
dc.description.abstractger | Viele Lebewesen bewegen sich, in dem sie ständig Energie aus einem inneren oder
äußeren Energiereservoir in Bewegung umwandeln. Meist existiert ein solches Indi-
viduum nicht isoliert, sondern ist Teil einer großen Gruppe wie beispielsweise einer
Vogelschar, eines Fischschwarms oder einer bakteriellen Suspension. Häufig bilden
diese Gruppen ganz ohne äußere Einflüsse durch Selbstorganisation interessante und
überraschende Strukturen. In jüngster Vergangenheit wurde das Interesse vieler Physiker geweckt, eben solche großen Gruppen zu modellieren um die einfachen lokalen
Mechanismen zu verstehen, die genügen, komplexes globales Verhalten zu erzeugen.
Das Thema dieser Arbeit sind in allen drei Dimensionen freibewegliche, aktive
Teilchen bei niedriger Reynoldszahl, die beispielsweise schwimmende Bakterien im
Wasser darstellen. Jedes Teilchen bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit und
benachbarte Teilchen haben die Tendenz sich nematisch auszurichten – sie verhalten
sich wie Stäbe, die sich parallel zueinander anordnen. Wir betrachten große Gruppen
solcher Teilchen, die typischerweise aus 3 × 10^5 Individuen bestehen mithilfe von
überdämpften Molekulardynamik-Simulationen (Kriechfall).
Wir untersuchen das Nichtgleichgewichtsphasendiagramm dieser aktiven Teilchen
in Abhängigkeit von der Dichte und der Péclet-Zahl der Rotationsbewegung, wobei
letztere die Stärke der nematischen Ausrichtung mit der Fluktuationen der Orien-
tierung vergleicht. Wir finden einen Phasenübergang von der isotropen in die nematisch geordnete Phase. An diesem Übergang treten solitonen-ähnliche, sich bewegende
Dichtewellen auf. Im nematischen Bereich des Phasendiagramms beobachten wir eine
spontane Brechung der chiralen Symmetrie des Systems. Diese Symmetriebrechung
entsteht durch Helix-Strukturen, die sich aus den mittleren lokalen Orientierungen
(im nematischen Sinne) zusammensetzen. Der Vergleich mit einem eindimensionalen,
dem XY -Modell sehr ähnlichen, Modell offenbart, wie wichtig Fluktuationen dabei
sind. Interessanterweise enstehen dabei Dichtewellen, die sich entlang der Helixachse
fortbewegen, sich jedoch von den Wellen in der Nähe des Phasenübergangs unter-
scheiden.
Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit bewegen sich die aktiven Teilchen in einer leicht turbulenten (R λ ≈ 20) Flüssigkeit, wie beispielsweise Plankton im Ozean.
Wir modellieren die Flüssigkeit mithilfe von kinematischen Simulationen und ver-
gleichen die Ergebnisse mit denen modernster direkter numerischer Simulationen.
Die Teilchen zeigen in einem bestimmen Bereich des Phasendiagramms die Bildung
von turbulenz-induzierten, kleinskaligen Haufen. Die stärkste Häufung ensteht, wenn
typische Längen- und Zeitskalen des turbulenten Feldes und der aktiven Teilchen
übereinstimmen. Wir diskutieren die Auswirkungen der Ergebnisse auf das berühmte
„Planktonparadox“. | de |
dc.description.abstracteng | Motile creatures are ubiquitous in the natural world. Spanning a broad range of length
scales, they all have in common the fact that they convert energy from internal or
external resources into motion. In most natural situations one such individual does
not exist on its own but is part of a large group like a flock of birds, a school of
fish, or a bacterial suspension. Often these groups show interesting and surprising
structure formation which emerges in a self-organized fashion without any external
forcing. Recently, the modeling of the dynamics of such large groups has attracted
a lot of interest also among physicists with the aim to understand the simple, local
mechanisms which lead to a complex, global behavior.
The subject of this thesis are active particles at low Reynolds numbers in three
dimensions which mimic, for example, bacteria in an aqueous environment. All particles move at a constant speed and align nematically with neighboring particles –
they do not distinguish between head and tail. Large groups of active particles are
investigated by means of molecular dynamics simulations in the limit of overdamped
dynamics.
We investigate the nonequilibrium phase diagram of these active particles in terms
of density and rotational Péclet number. The latter compares the strength of the
nematic alignment with the rotational diffusion. We find a phase transition from the
isotropic to the nematically ordered state. Close to the transition point, traveling
density waves occur which resemble solitons. In the nematic region of the phase
diagram a spontaneous chiral symmetry breaking can be observed. This occurs via
the formation of patterns which are characterized by a helical arrangement of the
mean local orientations. We discuss their stability and study their formation. A
comparison to a one-dimensional rotor model (similar to the XY -model) reveals the
importance of fluctuations. Very interestingly, density waves traveling along the helix
emerge. They differ, however, in nature from the ones occurring at the nematic-
isotropic transition.
In the second part of the thesis, the active particles are immersed in a surrounding,
mildly turbulent fluid (R λ ≈ 20) to mimic the conditions of plankton in the ocean.
The fluid flow field is modeled by means of kinematic simulations to ensure reason-
able computational times. However, for comparison, a number of simulations of the
self-propelled particles are also performed using the result of state-of-the-art direct
numerical simulations. We find a remarkably good agreement between these two
methods. The particles show a turbulence-induced clustering in the form of small-
scale patches in a specific region of the phase diagram. The strongest clustering
occurs if the integral length scale of the vorticity of the turbulent field is equal to half
of the nematic interaction range and the Kolmogorov time scale matches the time
scale of nematic alignment. Finally, we discuss the implications of our results onto
the famous “paradox of the plankton”. | de |
dc.contributor.coReferee | Marchesoni, Fabio Prof. Dr. | |
dc.subject.eng | microswimmers | de |
dc.subject.eng | molecular dynamics | de |
dc.subject.eng | turbulence | de |
dc.subject.eng | motility | de |
dc.subject.eng | phytoplankton | de |
dc.subject.eng | symmetry breaking | de |
dc.subject.eng | clustering | de |
dc.subject.eng | patchiness | de |
dc.subject.eng | nonequilibrium | de |
dc.subject.eng | low Reynolds number | de |
dc.subject.eng | overdamped dynamics | de |
dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0023-3EC4-6-9 | |
dc.affiliation.institute | Fakultät für Physik | de |
dc.identifier.ppn | 895101734 | |
dc.creator.birthname | Heyn | |