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Aktive Fluide

Wie fließen Bakterien?

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Wie lässt sich das Fließverhalten berechnen?

Dass sich Mathematiker der PTB mit Flüssigkeiten beschäftigen, hat einen triftigen Grund: Ihre Simulationsrechnungen könnten gleich für mehrere Industriezweige wichtig sein. So hat die Beschreibung normaler Flüssigkeiten durch die Navier-Stokes-Gleichung für die industrielle Anwendung eine enorme Bedeutung, wie an der Verwendung von Simulationen zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung oder im Zusammenhang mit Durchflussmessungen sichtbar wird. Das Verständnis und die Simulation der neuartigen Klasse von aktiven Flüssigkeiten stellen einen wichtigen ersten Schritt zu einer Vielzahl von zukünftigen Anwendungen dar. Beispielsweise könnten einer Flüssigkeit Mikroschwimmer zugefügt und so deren Fließeigenschaften gezielt manipuliert, effektiv durchmischt oder Medikamente im Körper transportiert werden. Obwohl das kollektive Verhalten von Mikroschwimmern Gegenstand der aktuellen Forschung ist, weiß man noch zu wenig über die Eigenschaften aktiver Fluide. Insbesondere sind die entwickelten Modelle sehr kompliziert und benötigen viele Parameter, was den quantitativen Vergleich mit Experimenten unmöglich macht.

PTB-Wissenschaftler und Wissenschaftler der University of Cambridge haben zusammen eine einfache Erweiterung der Navier-Stokes-Gleichung für aktive Flüssigkeiten vorgeschlagen, die auch ohne äußere Einflüsse instabil wird. In der Veröffentlichung werden dreidimensionale Simulationen (PTB) des Models mit Experimenten von dichten Bacillus-Subtilis-Suspensionen (Cambridge, Princeton) quantitativ verglichen. Erstmals konnten ein Modell mit experimentellen Daten verglichen und Modellparameter bestimmt werden. So lassen sich schwer zugängliche physikalische Größen wie z. B. die Elastizität oder anisotrope Viskosität der aktiven Flüssigkeit indirekt messen.

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Die Ergebnisse der internationalen Forschergruppe werden sicherlich interessante neue Untersuchungen nach sich ziehen, um die Entstehung von kollektivem Verhalten noch eingehender kennenzulernen, und möglicherweise künftige praktische Anwendungen anstoßen.

Originalpublikation: J. Dunkel (Cambridge), S. Heidenreich (PTB), K. Drescher (Princeton), H. H. Wensink (Paris), M. Bär (PTB), R. E. Goldstein (Cambridge): Fluid Dynamics of Bacterial Turbulence. Physical Review Letters 110, 228102 (2013) xx

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