Structure Formation and Collective Behavior of Dipolar Active Particles

Telezki, Vitali

dc.contributor.advisor	Klumpp, Stefan Prof. Dr.
dc.contributor.author	Telezki, Vitali
dc.date.accessioned	2021-12-13T09:42:54Z
dc.date.available	2021-12-20T00:50:04Z
dc.date.issued	2021-12-13
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0008-59C2-9
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8999
dc.language.iso	eng	de
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc	530	de
dc.title	Structure Formation and Collective Behavior of Dipolar Active Particles	de
dc.type	doctoralThesis	de
dc.contributor.referee	Klumpp, Stefan Prof. Dr.
dc.date.examination	2021-12-08
dc.subject.gok	Physik (PPN621336750)	de
dc.description.abstractger	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.	de
dc.description.abstracteng	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.	de
dc.contributor.coReferee	Müller, Marcus Prof. Dr.
dc.subject.ger	active Brownian particles	de
dc.subject.ger	Brownian dynamics simulations	de
dc.subject.ger	confinement	de
dc.subject.ger	collective behavior	de
dc.subject.ger	dipolar particles	de
dc.subject.ger	non-equilibrium physics	de
dc.subject.ger	numerical simulations	de
dc.subject.ger	theoretical physics	de
dc.subject.ger	pattern formation	de
dc.subject.eng	active Brownian particles	de
dc.subject.eng	Brownian dynamics simulations	de
dc.subject.eng	confinement	de
dc.subject.eng	collective behavior	de
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dc.subject.eng	non-equilibrium physics	de
dc.subject.eng	numerical simulations	de
dc.subject.eng	theoretical physics	de
dc.subject.eng	pattern formation	de
dc.identifier.urn	urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0008-59C2-9-3
dc.affiliation.institute	Fakultät für Physik	de
dc.description.embargoed	2021-12-20
dc.identifier.ppn	1782065938

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Name:eDiss_StructureFormationAndCollectiveBehaviorOfDipolarActiveParticles_Telezki_2021.pdf

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Beschreibung:Dissertation

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Fakultät für Physik (inkl. GAUSS) [926]

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