Zugriffsnummer 41992
Dokumenttyp Zeitschriftenartikel Open Access Gold
Peer Review mit Peer Review
Sprache Englisch
Titel Anisotropic mesoscale turbulence and pattern formation in microswimmer suspensions induced by orienting external fields
Autor(in); Institution
Reinken, Henning; 8.4, Mathematische Modellierung und Datenanalyse, PTB-Berlin; TU, Institute for Theoretical Physics, Berlin, GERMANY
Heidenreich, Sebastian; 8.4, Mathematische Modellierung und Datenanalyse, PTB-Berlin
Bär, Markus; 8.4, Mathematische Modellierung und Datenanalyse, PTB-Berlin
Klapp, Sabine H.L.; TU, Institute for Theoretical Physics, Berlin, GERMANY
Quelle/Jahr New Journal of Physics: 21 (2019), 21 S.
Artikelnummer 013037
Availability [online only]
ISSN 1367-2630 (ONLINE)
DOI
Verlag Bristol: IOP Publishing
Freie Schlagworte active matter ; microswimmers ; pattern formation ; mesoscale turbulence ; weakly nonlinear analysis
Zusammenfassung This paper studies the influence of orienting external fields on pattern formation, particularly mesoscale turbulence, in microswimmer suspensions. To this end, we apply a hydrodynamic theory that can be derived from a microscopic microswimmer model (Reinken et al 2018 Phys. Rev. E 97, 022613). The theory combines a dynamic equation for the polar order parameter with a modified Stokes equation for the solvent flow. Here, we extend the model by including an external field that exerts an aligning torque on the swimmers (mimicking the situation in chemo-, photo-, magneto- or gravitaxis). Compared to the field-free case, the external field breaks the rotational symmetry of the vortex dynamics and leads instead to strongly asymmetric, traveling stripe patterns, as demonstrated by numerical solution and linear stability analysis.Wefurther analyze the emerging structures using a reduced model which involves only an (effective) microswimmer velocity field. This model is significantly easier to handle analytically, but still preserves the main features of the anisotropic pattern formation.Weobserve an underlying transition between a square vortex lattice and a traveling stripe pattern. These structures can be well described in the framework of weakly nonlinear analysis, provided the strength of nonlinear advection is sufficiently weak.
Kostenfreier Zugang Open Access Gold
Rechteinformation CC BY 3.0 ; Creative Commons Attribution 3.0 License
Themenbereich der Metrologie Mathematik und metrologische Informationstechnik
Forschungsprojekt DFG-GRK 1558/2 Kollektive Dynamik im Nichtgleichgewicht, in kondensierter Materie und biologischen Systemen DFG-SFB 910/3: Kontrolle selbstorganisierter nichtlinearer Systeme: Theoretische Methoden und Anwendungskonzepte DFG-HE 5995/3 und BA 1222/7: Anomalous statistics of collectively moving Bacteria with different aspect ratios
Förderinformationen (1) Förderername: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Förderer ID: 0000 0001 2096 9829
Förderer ID Typ: ISNI
Titel der Förderung: DFG-GRK 1558/2 Kollektive Dynamik im Nichtgleichgewicht, in kondensierter Materie und biologischen Systemen
Förderungsnummer: GRK1558/2; SFB 910/3; HE5995/3; BA 1222/7
URI der Förderung: https://www.itp.tu-berlin.de/menue/grk1558/research_training_group_1558/, https://www.itp.tu-berlin.de/collaborative_research_center_910/sonderforschungsbereich_910/jobs/postdoc_positions/

Zitierung

Reinken, H., Heidenreich, S., Bär, M., & Klapp, S. H. (2019). Anisotropic mesoscale turbulence and pattern formation in microswimmer suspensions induced by orienting external fields. New Journal of Physics, 21, 21 S. https://doi.org/10.1088/1367-2630/aaff09

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