Aktive Brownsche Teilchen haben laut Forschern vier verschiedene Bewegungszustände

Aktive Brownsche Bewegung beschreibt Teilchen, die sich vorwärts bewegen können, während sie dennoch zufälligen Brownschen Bewegungen ausgesetzt sind, wenn sie von ihren benachbarten Teilchen herumgeschubst werden. Durch eine neue Analyse veröffentlicht in Das European Physical Journal EMeng Su von der Northwestern Polytechnical University in China haben zusammen mit Benjamin Lindner von der Humboldt-Universität zu Berlin herausgefunden, dass diese Bewegungen mithilfe von vier unterschiedlichen mathematischen Mustern genau beschrieben werden können.

Aktive Brownsche Partikel kommen in einer Vielzahl von Szenarien in der Natur vor: von subzellulären Strukturen, die von biomolekularen Motoren vorangetrieben werden, bis hin zu Bewegungen ganzer Tierherden, die zusammenarbeiten können, um Nahrung zu finden oder Raubtieren leichter auszuweichen.

Kürzlich haben Forscher künstliche Partikel entwickelt, die sich auf verblüffend ähnliche Weise wie ihre natürlichen Vorbilder verhalten – und damit aufregende neue Möglichkeiten in der Medizinrobotik und vielen anderen Bereichen der Spitzenforschung eröffnen. Letztendlich könnten die Entdeckungen von Su und Lindner zu faszinierenden neuen Erkenntnissen über das Verhalten dieser Systeme führen.

Es ist bereits bekannt, dass die Bewegungen aktiver Brownscher Teilchen von der Reibung, der sie ausgesetzt sind, sowie von äußeren Vorspannungskräften abhängen, die ihre Bahnen in bestimmte Richtungen verzerren. Mithilfe von Computersimulationen aktiver Brownscher Systeme, unterstützt durch einfache Berechnungen, entdeckten Su und Lindner, dass Variationen dieser beiden Parameter die Systeme in einen von vier möglichen Zuständen zwingen können.

Wenn ein Gleichgewicht zwischen voreingenommenen aktiven Antriebskräften und der Reibung entsteht, die ein Partikel erfährt, geht es in einen „gesperrten“ Zustand über und beschränkt seine Bewegung auf einen kleinen Bereich. Wenn seine treibende Kraft stattdessen die Reibung überwiegt, bewegt sich das Teilchen dauerhaft in einer größtenteils geraden Linie und gelangt in einen „treibenden“ Zustand.

Alternativ kann das Partikel zwischen dem Sperr- und dem Laufzustand oder zwischen zwei verschiedenen Laufzuständen hin und her wechseln. Wenn das System zufälligem Rauschen ausgesetzt ist, ändert sich die durchschnittliche Geschwindigkeit der Partikel abhängig von der Intensität des Rauschens – ihre Bewegungen bleiben jedoch immer noch in einem dieser vier Zustände.