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Dienstag, 06. Mai 2014

Jetzt wird´s eng

Dicht gepackte Schwärme

Ob Fische oder Nanoteilchen: Nimmt die Zahl von Elementen in einem Schwarm zu, so ändern sich die Regeln. NIM-Wissenschaftlern ist es gelungen, ein universelles Modell zu erstellen, um diese Verhaltensänderungen zu untersuchen.

Fisch- und Vogelschwärme sind jedem von uns vertraut. Doch auch Moleküle oder Nanoteilchen können Schwärme bilden. Voraussetzung ist, dass sich jedes einzelne Element aktiv bewegt und mit seiner Umgebung interagieren kann. Die Fachwelt ist seit längerem auf der Suche nach einem grundlegenden Modell, das auf das Schwarmverhalten von Nanopartikeln bis hin zu Fischschwärmen gleichermaßen angewendet werden kann.

Erste universelle Aussagen sind bereits möglich. Sind die Abstände zwischen den Einzelobjekten beispielsweise groß, so können die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln dazu führen dass sich alle selbst-organisiert in eine gemeinsame Richtung bewegen und so Schwärme bilden. Wenn sie jedoch sehr dicht gepackt sind, gelten andere Gesetze, die der NIM-Physiker Professor Erwin Frey (LMU) mit seinem Team über einen theoretischen Ansatz versucht zu entschlüsseln. Ihre Frage lautet: Was verändert sich, wenn die Dichte in einem Schwarm zunimmt?  

In ihrer aktuellen Veröffentlichung präsentieren die Biophysiker ein Modell, mit dem sie erstmals das Schwarmverhalten von dichtgepackten Partikeln studieren können. „Damit konnten wir herausfinden, dass sehr dichte Systeme entweder schwärmen, bzw. fließen, und einen aktiven Polykristall formen“, erklärt Christoph A. Weber, Erstautor der Studie. „Oder aber sie bilden einen aktiven Kristall, der nicht fließt.”

Diese aktiven Kristalle unterscheiden sich grundlegend von gewöhnlichen Kristallen wie man sie aus dem Alltag kennt. In gewöhnlichen Kristallen bewirkt die Wärmebewegung der Partikel (Brownsche Molekularbewegung) dass die Kristallstruktur nie ganz perfekt ist sondern immer Defekte aufweist. Im Gegensatz dazu führt die durch den inneren Antrieb erzeugte Bewegung der Partikel in aktiven Kristallen zu einer weitaus höheren Ordnung ohne jegliche Kristalldefekte.

Der gefundene aktive Polykristall ähnelt einem Flickenteppich bestehend aus verschieden zueinander ausgerichteten Kristallgittern. Anders als beim aktiven Kristall bewegen sich alle Partikel im aktiven Polykristall gemeinsam in eine Richtung – sie schwärmen.

Welche Art von Kristall sich bildet, hängt vor allem davon ab, wie groß die abstoßenden Wechselwirkungen zwischen den Partikeln sind. Sind diese eher schwach, findet man einen fließenden Polykristall; stoßen sich die Partikel stärker ab, so ergibt sich ein aktiver Kristall ohne Defekte, der nicht fließt.

„Um unsere theoretischen Hervorsagen mit der Praxis abzugleichen, möchten wir unsere Ergebnisse mit in-vitro erzeugten aktiven Tropfen nachstellen“, schaut Erwin Frey in die Zukunft. „Diese beinhalten Biopolymere, extrahiert aus der Zelle, sogenannte Mikrotubuli. Bringt man diese Tropfen in Kontakt mit einer harten Oberfläche, so bewegen sie sich und werden quasi zu aktiven Teilchen.“

Publication:

Defect-Mediated Phase Transitions in Active Soft Matter. Christoph A. Weber, Christopher Bock, and Erwin Frey. Phys. Rev. Lett. 112, 168301. Published online: 25 April 2014

Contact:

Prof. Erwin Frey

Arnold-Sommerfeld-Center for Theoretical Physics

Ludwig-Maximilians-Universität (LMU)

Theresienstrasse 37

D-80333 München
E-Mail: frey(at)lmu.de
Tel.: +49 (0)89 / 2180 - 4538

 

Dr. Christoph A. Weber

Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems

Division Biological Physics

Nöthnitzer Straße 38
D-01187 Dresden

E-Mail: weber(at)pks.mpg.de

Tel.: +49 (0)351 / 871 - 2410

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