Effect of environment on active materials : from cell-surface scattering to polymers in active solutions

Mousavi Kolkasaraei, Seyedeh Mahdiyeh; Winkler, Roland G.; Honerkamp, Carsten

doi:39503

Effect of environment on active materials : from cell-surface scattering to polymers in active solutions

Mousavi Kolkasaraei, Seyedeh Mahdiyeh^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Seyedeh Mahdiyeh Mousavi Kolkasaraei, M.Sc.

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (153 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Winkler, Roland G. (Thesis advisor)^RWTH* ; Honerkamp, Carsten (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-08-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-08310
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/795408/files/795408.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
active Brownian ring polymer (frei) ; active matter (frei) ; micro-swimmers (frei) ; wall-entrapment (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit werden die Eigenschaften aktiver Materie, von schwimmenden Bakterien zu filamentartigen/polymeren Strukturen, in einer aktiven Umgebung theoretisch untersucht. Mittels teilchenbasierter hydrodynamischer Simulationen, der Multiparticle Collison Dynamics Methode, wird die Oberflächenstreuung {\em E.coli}-ähnlicher Bakterien studiert, wobei eine Zelle als sphäro-zylindrischer Körper mit mehreren schraubenförmigen Geißeln modelliert wird. Weiterhin werden analytische Rechnungen zu ringförmigen Objekten, die zweidimensionale Membranen repräsentieren, und Simulationen linearer Polymere in einem Bad Brownscher aktiver Teilchen durchgeführt, um die Effekte nichtthermischer Fluktuationen auf deren Konformation und dynamischen Eigenschaften aufzuklären.Bakterienansammlung an einer Wand erfolgt in drei Stufen: Annäherung, Reorientierung und Schwimmen an der Oberfläche. Es stellt sich heraus, dass Hydrodynamik die Zellbewegung verlangsamt, die Reorientierung erfolgt aber nach dem ersten Zell-Wand-Kontakt. Die Rotationsrate in der Nähe einer Wand deutet darauf hin, dass ein Drehmoment durch die Normalkomponente der Antriebskraft des Bakteriums erzeugt wird, was die Bedeutung sterischer Zell-Wandwechselwirkungen betont. Ein Ring wird als Gaußsche, semiflexible Kette mit endlicher Konturlänge beschrieben. Die Aktivität bedingt einen Übergang der Relaxationszeiten von einer Krümmung-dominierten Dynamik zu einer Dynamik flexibler Polymere. Infolgedessen schrumpft ein semiflexibler Ring bei moderater Aktivität und er schwillt bei höherer Aktivität an, genauso wie ein flexibler Ring. Darüber hinaus bewirkt Aktivität starke, nichtthermische Ringfluktuationen. Die mittlere quadratische Verschiebung des Rings zeigt ein ausgeprägtes aktivitätsdominiertes Regime. Bei sehr kurzen Zeiten tritt ballistisches Verhalten auf, gefolgt von einem subdiffusiven Regime, das durch die interne Polymerdynamik bestimmt wird, und schließlich eine verstärkte Diffusionsbewegung auf langen Zeitskalen. Simulationen eines passiven Polymers eingebettet in einer verdünnten Lösung aktiver Teilchen zeigt eine Quellung des Polymers und eine beschleunigte Relaxationsdynamik. Außerdem verstärkt Aktivität die Diffusionsbewegung des Polymers, analog zu einem Polymerring. Insgesamt verändert Aktivität die Konformation und dynamischen Eigenschaften von Polymeren substanziell, selbst im Falle einer aktiven Umgebung, auch wenn in geringerem Maße als bei selbst angetriebenen Monomeren.

In this thesis, the properties of active matter ranging from swimming bacterial cells to filamentous/polymeric structures embedded in an active environment are investigated theoretically. We implement a particle-based simulation method, the multiparticle collision dynamics approach, to study surface scattering of {\em E. coli}-type cells, where a cell is modeled by a spherocylindrical body with several attached helical flagella. We perform analytical calculation of ring-like objects, resembling membranes in two dimensions, and simulations of linear polymers in a bath of Brownian active particles to unravel the effect of nonthermal fluctuations on the polymer conformational and dynamical properties. Wall entrapment of bacteria is characterized by three stages: approach, reorientation, and surface-swimming. We find that hydrodynamics slows down the cell motion, however, reorientation begins after the first cell-wall contact. The near-wall rotation rate of the cell indicates that a net torque arises from the normal component of the propulsion force of the bacterium, which indicates that steric interactions dominate cell reorientation at a wall.A ring is described by the Gaussian semiflexible polymer model including the finite contour length. Activity results in a crossover of the relaxation times from a bending-mode dominated dynamics to a flexible polymer dynamics. As a result, a semiflexible ring shrinks at moderate activities and swells at higher activities similarly to a flexible ring. Moreover, activity yields nonthermal large-scale fluctuations of the ring. The mean square displacement of the ring shows distinct activity-determined regimes. At very short times a ballistic behavior is observed, which is followed by a subdiffusive regime determined by the internal polymer dynamics, and finally an enhanced diffusive motion at long times. Simulations of a passive polymer immersed in a dilute solution of active particles show swelling of the polymer and an accelerated relaxation dynamics. Moreover, activity enhances the diffusive motion of the polymer, similarly to that of polymer rings. In general, activity substantially changes the conformational and dynamical properties of polymers, even an active bath, although to a less extent compared to self-propelled monomers.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)