Structure Formation and Collective Behavior of Dipolar Active Particles
von Vitali Telezki
Datum der mündl. Prüfung:2021-12-08
Erschienen:2021-12-13
Betreuer:Prof. Dr. Stefan Klumpp
Gutachter:Prof. Dr. Stefan Klumpp
Gutachter:Prof. Dr. Marcus Müller
Zum Verlinken/Zitieren:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8999
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Name:eDiss_StructureFormationAndCollectiveBehavio...pdf
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Format:PDF
Description:Dissertation
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Zusammenfassung
Englisch
Dipolar active particles describe a class of self-propelled, biological or artificial particles. These particles are equipped with an internal, typically magnetic, dipole moment. The combination of dipolar particle-particle interactions and activity leads to emerging complex collective behavior in systems of such particles. In this thesis, we use Brownian dynamics simulations to explore and characterize the plethora of structural dynamics and pattern formation in systems of dipolar active particles. This study can be divided into four parts. First, we focus on structure formation in small systems. Here, we mainly observe chain and ring formation and characterize how activity and spatial confinement affects these structures. Second, we move to large systems of dipolar active particles, classify the collective patterns we observed and summarize our results in diagrams of states. We show that activity plays a crucial role in the emergent collective behavior in systems of dipolar active particles. Third, we investigate the effect a constant homogeneous external magnetic field has on collective dynamics of the system. We observe that band formation is suppressed by strong external magnetic fields and columnar structures form. In addition, we notice a previously not characterized transient state of oscillating chains of active dipolar particles. We hypothesize that these oscillations are caused by buckling instabilities. Finally, we introduce a time dependent external magnetic field and study the dynamics of structure formation driven by that field. This thesis demonstrates how dipolar interactions, external magnetic fields, or confinement, can further add to the rich complex collective behavior in systems of active particles.
Keywords: active Brownian particles; Brownian dynamics simulations; confinement; collective behavior; dipolar particles; non-equilibrium physics; numerical simulations; theoretical physics; pattern formation
Deutsch
Dipolare aktive Teilchen gehören zu einer Klasse von selbst angetriebenen Teilchen biologischen oder künstlichen Ursprungs. Diese Teilchen verfügen über ein internes, typischerweise magnetisches Dipolmoment. Die daraus entstehenden dipolaren Teilchen-Teilchen Wechselwirkungen führen in Kombination mit dem aktiven Antrieb zu komplexem kollektivem Verhalten in Systemen solcher Teilchen. In der vorliegenden Arbeit verwenden wir Brownsche Dynamik-Simulationen, um die Vielfalt der dynamischen Strukturbildung in solchen System zu untersuchen. Dabei ist diese Arbeit in vier Hauptforschungsthemen gegliedert. Zunächst untersuchen wir Strukturbildung in kleinen Systemen von dipolaren aktiven Teilchen. Hier beobachten wir, dass sich vor allem Ringe und Ketten bilden. Diese Strukturen sind hauptsächlich abhängig von der Aktivität und der Magnetisierung der Teilchen. Zudem beeinflussen auch Wechselwirkungen mit Wänden im System die Strukturbildung. Im nächsten Schritt gehen wir zu großen Systemen dipolarer aktiver Teilchen über. Wir zeigen, dass Aktivität eine entscheidende Rolle bei dem emergenten Verhalten spielt. Wir klassifizieren das beobachtete kollektive Verhalten und fassen die Ergebnisse in Zustandsdiagrammen zusammen. Als drittes untersuchen wir den Einfluss eines konstanten homogenen externen Magnetfeldes auf die Strukturbildung. Dabei beobachten wir, dass Bildung von Bändern durch starke externe Magnetfelder unterdrückt wird und sich Teilchen stattdessen in säulenartige Strukturen organisieren. Außerdem stoßen wir auf einen bisher nicht charakterisierten vorübergehenden Zustand von oszillierenden Ketten aktiver dipolarer Teilchen. Wir gehen davon aus, dass diese Oszillationen durch Buckling-Instabilitäten verursacht werden. Zuletzt führen wir ein zeitabhängiges externes Magnetfeld ein und untersuchen die dadurch angetriebene Dynamik der Strukturbildung. Diese Arbeit zeigt, wie dipolare Wechselwirkungen, der Einfluss externer magnetischer Felder oder Wechselwirkungen mit Wänden des Systems, das bereits bekannte, vielfältige komplexe kollektive Verhalten in Systemen aktiver Teilchen erweitern und bereichern können.
Schlagwörter: active Brownian particles; Brownian dynamics simulations; confinement; collective behavior; dipolar particles; non-equilibrium physics; numerical simulations; theoretical physics; pattern formation