Self-propelled particles driven by light

Abstract

In this thesis I review the main features of active systems, both biological and artificial, and I propose a novel technique to obtain self-propelling microscopic colloids. To achieve the propulsion we exploit the phoretic forces that come into play when a Janus particle modifies asymmetrically its surrounding. A lot of experimental effort is dedicated to design active colloids that approximately behave as self-propelled hard spheres. This allows us to investigate the role of the active motion to induce more complex phenomena when bulk conditions are lost. To support our experimental findings we actively compare our results with numerical simulation of interacting hard colloids. We indeed find that the off-equilibrium physics that describes these active objects is rich of novel surprising features.

In dieser Arbeit untersuche ich die wesentlichen Eigenschaften biologischer und künstlicher aktiver Systeme und stelle eine neue Technik zur Herstellung von selbstgetriebenen mikroskopischen Kolloiden vor. Um den Antrieb zu erhalten nutzen wir phoretische Kräfte, welche ins Spiel kommen, wenn ein Janus-Teilchen seine Umgebung asymmetrisch verändert. Erheblicher experimenteller Aufwand wird der Entwicklung aktiver Kolloide gewidmet, welche sich näherungsweise als selbstgetriebene harte Kugeln verhalten. Dies ermöglicht es uns, die Rolle der aktiven Bewegung hinsichtlich ihrer Phänomene unter komplexeren Bedingungen zu untersuchen. Zur Unterstützung unserer experimentellen Erkenntnisse vergleichen wir diese mit numerischen Simulationen von miteinander wechselwirkenden harten Kugeln. Tatsächlich beobachten wir, dass die Nichtgleichgewichtsphysik, welche diese aktiven Objekte beschreibt, voller neuer und überraschender Besonderheiten steckt.