Active, phoretic motion

Abstract

This work is dedicated to different aspects of the motion of micro- and nanoparticles that are driven by interaction with a concentration gradient. The swimming of particles in a solution is called diffusiophoresis if it results from the interaction with nonionic solvent gradients. Motion driven by ionic concentration gradients is called electrophoresis or chemiphoresis, depending on whether or not an electric field moves the particle. Recently, the concept of active phoresis has emerged. The new idea is here that the swimming particle produces the concentration gradient by itself. In corresponding experiments the particle mostly catalyzes a chemical reaction in an asymmetric way on its surface. Various realizations of such systems have been explored experimentally during the last years. These swimmers are a unique model system for the investigation of microscale non-equilibrium phenomena. The aim of the thesis is to contribute to an improved understanding of active, phoretic motion. In particular energetic aspects of this type of swimming are investigated for the first time.

In der vorliegenden theoretischen Arbeit werden verschiedene Facetten einer von Konzentrationsgradienten getriebenen Bewegung untersucht. Befinden sich Mikro- oder Nanopartikel in einer nichtionischen Lösung, so spricht man von Diffusiophorese. Von Konzentrationsgradienten getriebenes Schwimmen in ionischen Lösungen wird Chemiphorese oder auch Elektrophorese genannt. Der Konzentrationsgradient kann von aktiven Partikeln selbst erzeugt werden. Dabei katalysieren die Partikel zumeist eine chemische Reaktion asymmetrisch an ihrer Oberfläche. Die Herstellung dieser Schwimmer ist seit einigen Jahren, in verschiedener Form, im Labor möglich. Daher werden sie zur Zeit intensiv von experimenteller und theoretischer Seite her untersucht. Diese Arbeit soll durch eine verbesserte theoretische Beschreibung zum Verständnis der aktiven, phoretischen Fortbewegung beitragen. Darüber hinaus werden hier auch energetische Aspekte zum ersten Mal eingehend untersucht.