Detailansicht
Hydrodynamics of deformable swimming cells in MPCD fluids
Johannes Pichler
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Andreas Zöttl
DOI
10.25365/thesis.80640
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16897.97767.893446-5
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Biologische Zellen und synthetische Mikroschwimmer müssen nicht-reziproke Körperverformungen erzeugen, um sich in viskosen Umgebungen fortzubewegen, in denen Trägheitseffekte vernachlässigbar sind. Während theoretische Modelle häufig starre Schwimmer mit vorgegebenen Oberflächengeschwindigkeiten annehmen, besitzen reale Zellen verformbare Membranen, deren mechanische Eigenschaften das Schwimmverhalten grundlegend beeinflussen. Diese Masterarbeit untersucht, wie die Membranmechanik die Fortbewegung einer verformbaren Zelle beeinflusst, mittels gekoppelter Molekulardynamik- und Multi-Particle Collision Dynamics (MPCD) Simulationen. Die Zelle wird als triangulierte elastische Oberfläche mit 1002 Knoten modelliert, wobei Wechselwirkungspotentiale für Bindungselastizität, Biegesteifigkeit und Volumenerhaltung berücksichtigt werden. Das Zellenmodell ist in ein MPCD-Fluid eingebettet, das die wesentliche Hydrodynamik bei niedriger Reynoldszahl (Re ≈ 0,22) erfasst. Nicht-reziprokes Schwimmen wird durch zeitlich periodische Kräfte erreicht, die auf drei Oberflächennodes eines gleichseitigen Dreiecks wirken, wobei Phasenverschiebungen die Zeitumkehrsymmetrie brechen. Systematische Parameterstudien liefern drei zentrale Ergebnisse. Erstens folgt die Schwimmgeschwindigkeit der kanonischen Skalierungsrelation für Mikroschwimmer v ∝ ε_2^2 f, wobei ε_2 die Verformungsamplitude und f die Antriebsfrequenz bezeichnet; dies wurde mit hoher Korrelation (R_2 = 0,98) bestätigt. Zweitens beeinflusst die Biegesteifigkeit der Oberfläche sowohl die Verformungsamplitude als auch die Asphärizität der Zelle: steifere Oberflächen bleiben sphärischer und zeigen geringere Verformungen. Drittens, und besonders bemerkenswert, bestimmt die Biegesteifigkeit die Schwimmrichtung. Weiche Oberflächen ermöglichen Vorwärtsschwimmen durch schlagdominierten Antrieb, während steife Oberflächen Rückwärtsschwimmen verursachen, bei dem Oberflächengeschwindigkeitseffekte dominieren. Der Übergang erfolgt bei mittleren Steifigkeitswerten (kBend = 1000–2000 k_BT). Diese Ergebnisse zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche einen Kontrollmechanismus für die Fortbewegung von Mikroschwimmern darstellen. Dies hat Implikationen sowohl für das Verständnis biologischer Zellmotilität als auch für die Entwicklung synthetischer Mikroroboter mit einstellbaren Schwimmeigenschaften.
Abstract
(Englisch)
Biological cells and synthetic microswimmers must generate non-reciprocal body deformations to achieve locomotion in viscous environments where inertia is negligible. While theoretical models often assume rigid swimmers with prescribed surface velocities, real cells possess deformable membranes whose mechanical properties fundamentally influence swimming behavior. This thesis investigates how surface mechanics govern the locomotion of a deformable cell using coupled Molecular Dynamics and Multi-Particle Collision Dynamics (MPCD) simulations. The cell is modeled as a triangulated elastic surface with 1002 nodes, incorporating interaction potentials for bond elasticity, bending rigidity, and volume conservation. The cell modell is immersed in an MPCD fluid that captures the essential hydrodynamics at low Reynolds number (Re ≈ 0.22). Non-reciprocal swimming is achieved through time-periodic forces applied to three surface nodes forming an equatorial triangle, with phase shifts that break time-reversal symmetry. Systematic parameter studies reveal three central findings. First, the swimming velocity obeys the canonical microswimmer scaling relation v ∝ ε_2^2 f, where ε_2 is the deformation amplitude and f the driving frequency, validated with high correlation (R2 = 0.98). Second, surface bending rigidity controls both deformation amplitude and cell asphericity: stiffer cell surfaces remain more spherical and exhibit smaller deformations. Third, and most strikingly, bending rigidity determines swimming direction. Soft surfaces enable forward swimming through stroking-dominated propulsion, while stiff surfaces cause backward swimming where surface velocity effects dominate. The transition occurs at intermediate rigidity values (kBend = 1000–2000 kBT). These results demonstrate that cell surface mechanical properties offer a control mechanism for microswimmer locomotion, with implications for understanding biological cell motility and designing synthetic micro-robots with tunable swimming characteristics.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Mikroschwimmer Niedrige Reynoldszahl Zellschwimmen Hydrodynamik Deformierbare Membranen Multi-Partikel-Kollisionsdynamik Molekulardynamik
Schlagwörter
(Englisch)
Low Reynolds number swimming Microswimmers Deformable cells MPCD simulation Squirmer model Cell locomotion Molecular dynamics
Autor*innen
Johannes Pichler
Haupttitel (Englisch)
Hydrodynamics of deformable swimming cells in MPCD fluids
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
ix, 76 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Andreas Zöttl
Klassifikation
33 Physik > 33.25 Thermodynamik. statistische Physik
AC Nummer
AC17802459
Utheses ID
79654
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |