Projektbeschreibung
Die Interaktion kolloidaler Kristalle auf dem Prüfstand
Jüngste Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass kolloidale Kristalle ähnliche Eigenschaften wie lebende Organismen haben, darunter Autoreplikation, Selbstheilung, Anpassung, Wettbewerbsverhalten und Motilität. Das EU-finanzierte Projekt Ph.D. möchte das Verhalten dynamischer adaptiver kolloidaler Kristalle weiter untersuchen, die sich fernab des Gleichgewichts befinden, und wie sich Interaktionen im Nanometerbereich steuern lassen. Vor diesem Hintergrund wird das Forschungsteam einen ultraschnellen Laser einsetzen, um ein quasi-zweidimensionales geschlossenes kolloidales System außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts anzutreiben. Das Team erwartet die Bildung einer reichhaltigen Gruppe dynamischer adaptiver kolloidaler Kristalle aus reinen Polystyrolkugeln mit einem Durchmesser von 500 nm. Das Aufdecken der Prinzipien komplexer dynamischer adaptiver Systeme wird entscheidende Auswirkungen auf zahlreiche verschiedene Gebiete wie die Mikrofluidik, Biologie und Nanowissenschaft haben.
Ziel
We recently reported the first observation of dynamic adaptive colloidal crystals exhibiting characteristics similar to those commonly associated with living organisms: self-replication, self-healing, adaptation, competition, motility. Here, I propose to do the first experiments to clarify precisely how dynamic adaptive behavior arises far from equilibrium and how to control it. The key to both is a fundamental question at the heart of condensed matter, statistical and nonlinear physics: When far from equilibrium, in the presence of fluctuations and faced with multiple steady states with small energy differences, how does a system evolve? Specifically, my objectives are (1) to form crystals with periodic and aperiodic patterns, e.g. 2D Bravais lattices, quasicrystals, using passive identical particles, (2) to quantify their formation energies through the effective temperature of Brownian particles, (3) to identify the conditions for emergence and control of adaptive behavior. Then, I will draw a complete phase map of these dynamic adaptive colloidal crystals using fitness landscapes to characterize each pattern. I will further ask to what extent this control is extendable down to the few-nm scale, where fluctuations are even stronger and if and how these findings change when using nonidentical, in size or shape, but still passive particles. My system comprises quasi-2D-confined pure-polystyrene 500-nm spheres suspended in water. An energy flux to drive the system far from equilibrium and sustain it there is supplied by an ultrafast laser. My method exploits only three physical tenets, nonlinearity, fluctuations and positive/negative feedback mechanisms acting on identical passive particles, yet generates extremely rich emergent dynamics. A full understanding of how such dynamics arise from so few basic ingredients will advance our understanding of complex systems in addition to numerous practical applications to self-assembly, microfluidics, nanoscience and biology.
Wissenschaftliches Gebiet (EuroSciVoc)
CORDIS klassifiziert Projekte mit EuroSciVoc, einer mehrsprachigen Taxonomie der Wissenschaftsbereiche, durch einen halbautomatischen Prozess, der auf Verfahren der Verarbeitung natürlicher Sprache beruht.
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Finanzierungsplan
ERC-STG - Starting GrantGastgebende Einrichtung
44801 Bochum
Deutschland