Modellsystem beschreibt Phasenübergang

Aktive Teilchen können Phasenübergang erleichtern

Ein System, das aus Teilchen mit eigenem Antrieb besteht wie z.B. Bakterien oder künstlich erzeugte kolloidale Teilchen, befindet sich niemals im thermischen Gleichgewicht. Dennoch können solche Systeme, ähnlich wie Systeme im Gleichgewicht, interessante Phasen und Phasenübergänge aufweisen.

Momentaufnahmen einer Molekulardynamik-Simulation mit 547 Kolloiden und 1781 Polymeren. Das obere Bild zeigt eine Gleichgewichtskonfiguration des passiven Systems, das bei dieser Dichte keine getrennten Phasen ausbildet. Das untere Bild ist das entsprechende aktive System, das eindeutig zwei getrennte Phasen aufweist. In beiden Bildern sind die Kolloide gelb und die Polymere schwarz dargestellt. (Bild: Peter Virnau, JGU)

Einem internationalen Team mit Dr. Peter Virnau und Prof. Dr. Kurt Binder von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), Benjamin Trefz von der Graduiertenschule MAINZ und Forschern aus Indien und den USA ist es gelungen, mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen und einer Integralgleichungstheorie den Phasenübergang einer Mischung aus diesen aktiven, selbst angetrieben Teilchen und passiven Teilchen zu beschreiben. Das Modellsystem wurde dabei so gewählt, dass die "Aktivität" mittels Parameter gesteuert werden kann und dass selbst im Grenzfall ohne aktive Teilchen, also einem reinen passiven System, der Phasenübergang erhalten bleibt.

"Unsere Untersuchungen belegen, dass die von uns eingeführte Aktivität den Phasenübergang nicht nur erschweren, sondern auch erleichtern kann", erläutert Peter Virnau vom Institut für Physik der JGU. Des Weiteren konnte durch Verwendung der Integralgleichungstheorie das Phasenverhalten des aktiven auf ein passives System abgebildet werden. Ob diese Abbildungsmethode allgemeine Gültigkeit besitzt, müssen weitere Studien belegen.

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Veröffentlichung:
Subir K. Das et al., Phase Behavior of Active Swimmers in Depletants: Molecular Dynamics and Integral Equation Theory, Physical Review Letters, 15. Mai 2014, DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.198301.

Weitere Informationen:
Dr. Peter Virnau
Kondensierte Materie KOMET
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
55099 Mainz
virnau@uni-mainz.de
http://www.komet331.physik.uni-mainz.de/virnau.php

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