Dynamik komplexer Fluide

Dynamik komplexer Fluide

Ein komplexes Fluid besteht aus (einer großen Anzahl) ähnlicher beweglicher Einheiten, die für sich genommen komplex genug sind, um eine einfache Vorhersage des kollektiven Verhaltens des Ganzen auszuschließen. Unsere Forschung zielt darauf, die Phänomene der Selbstorganisation zu verstehen, wie beispielsweise Musterbildung und Selbstorganisation in komplexen Flüssigkeiten. Wir hoffen, geeignete Modellsysteme zu identifizieren, die Einblicke in übergreifende Prinzipien der Selbstorganisation in so unterschiedlichen Systemen wie der Aggregation von Planetesimalen in Urwolken, dem Schwarmverhalten in Bakterienkolonien oder den Mustern im Verkehrsfluss geben. Eine herausfordernde Frage ist: Gibt es allgemeine gemeinsame "Prinzipien" hinter den verschiedenen Fällen von Symmetriebrechung, Strukturbildung und Emergenz in offenen Systemen? Es wäre gleichermaßen lohnend, solche Prinzipien zu finden oder ihre Nichtexistenz zu beweisen.
Auf der fundamentalen Seite betrachten wir allgemeine Beschreibungen von gleichgewichtsfernen Systemen, wie etwa die Master-Gleichungen und die Fokker-Planck-Gleichung. Es ist bekannt, dass die entsprechende Mastergleichung ein detailliertes Gleichgewicht beibehält, wenn ein System nicht nach seinen Makrozuständen, sondern nach geschlossenen Zyklen im Raum der Makrozustände klassifiziert wird. Wir untersuchen die Möglichkeiten, diese Tatsache im Kontinuumsbild (Fokker-Planck) auszunutzen, indem wir versuchen, analytische Beschreibungen für die relativen Gewichte von Nicht-Gleichgewichtsstabilitäten zu finden.
Auf der Seite der Komplexität bietet die biologische Materie die kompliziertesten Systeme, die wir untersuchen. Wir versuchen jedoch, uns auf solche zu konzentrieren, die noch einfach genug sind, um sie durch physikalische und physikalisch-chemische Prinzipien beschreiben zu können. Das Schwarmverhalten von Chlamydomonas reinhardtii lässt sich gut mit Beobachtungen in aktiven Emulsionen vergleichen, auch wenn es biologische Verzweigungen gibt, die noch lange nicht verstanden sind.
Das Projekt mit dem weitaus engsten Bezug zum Alltag betrifft das kollektive Verhalten in öffentlichen Verkehrssystemen. Nachdem wir das Verhalten von Ride-Pooling-Systemen analytisch und durch Simulationen untersucht haben, führen wir reale Experimente (Pilotprojekte) durch, um ein bedarfsgesteuertes System zu testen und zu entwickeln, das bequem und billig genug werden könnte, um schließlich das private Auto auf unseren Straßen zu verdrängen.

Forschungsgruppen

Übergreifende Forschungsprojekte

Projektpartner

Frühere Forschungsprojekte

Zur Redakteursansicht