Collective behaviour in suspensions of pushers and pullers

Abstract

Microswimmer is a term that denotes small selfpropelling agents, such as bacteria, algea or artificial robots. Depending on the flow field they set up they can be categorized into two classes: pushers (e.g. E. coli ) and pullers (e.g C. reinhardtii ). The occurrence of jets, eddies and flocking have been observed in systems of dens pusher suspension. This phenomenon is called active turbulence. The transition to active turbulence has been attributed to hydrodynamic interactions reorienting and aligning pushers, whereas the same type of hydrodynamic interactions destroy collective motion in puller suspensions. This thesis sets out to investigate the properties of active turbulence in mixtures of pushers and pullers by means of particle-based Lattice Boltzmann simulations. Two body interactions between microswimmers and properteis regarding fluid statistics and swimmer statistics in 3-dimensional suspensions were investigated. Similar studies were also performed on a class of nonswimming particles, so called shakers. Our results shows that the presence of pullers in a pusher suspension can inhibit active turbulence. Furthermore we have
observed that a suspension consisting equal parts pullers and pushers will display properties similar to a noninteracting system.

Popular Abstract (Swedish)

Bakterier som lever i vatten brukar ta sig fram med hjälp av långa trådliknande utskott,så kallade flageller. Denna simteknik är väldigt annourlunda jämfört med det vi oftast ser i vår omvärld, att simma med fenor eller åror är nämligen inte särskilt effektivt för bakterier. Detta har att göra med vattnets radikalt annourlunda hydrodynamiska egenskaper på mikroskalan. Man brukar tala om det så kallade Reynoldstalet, Re Det sammanfattar hur tröghetskrafter och friktionskrafter på en fast kropp i en vätska jämför sig gentemot varandra. Då vi människor brukar simma upplever vi höga Reynoldstal (Re ∼ 10E6 ). Detta innebär att tröghetskrafterna dominerar, och förklarar varför man kan fortsätta glida en bra bit efter att man tagit ett rejält simtag. För en E. coli bakterie, brukar friktionskrafterna dominera. Då den slutar rotera med flaggelerna så stannar den omedelbart (Re ∼ 10E−5 ). För en människa skulle detta motsvara att simma i honung. Bakterier och andra mikroorganismer har därför utvecklat andra, mer effektiva simtekniker.
Det kan förefalla opraktiskt att leva i en sådan högviskös värld; dock leder de hyrdodynamiska egensakperna till väldigt exotiska och spännande fenomen. Ett av de mest utforskade fenomen har observerats i koncenterade bakteriesuspensioner av E. coli och Sallmonella. Vid volymkoncentrationer större än 2 procent har man observerat att bakteriernaslutar simma på ett oorganiserat sätt och börjar då iställer bilda ”flockar”. Flockarna rör sig på ett koordinerat sätt på långa längskalor med hastigheter mycket större än de indivudella simmarnas. Bakteriernas simmmande ger även upphov till kaotiska flödesmönster väldigt lika turbulens. ”Klassisk” turbulens, som man t.ex kan observera kring en flygplansvinge, brukar dock ske för höga Reynoldstal (Re > 1000). Detta fenomen, kallat bakteriell turbulens, sker vi betydligt lägre Reynolds tal och har därför en annan underliggande mekanism.

Då en bakterie simmar ger den upphov till ett flödesfält. Bakterier i närheten av flödesfältet kommer då att orienteras i flödet så att de börjar simma i samma riktning. Det är detta som ger ger upphov till bakteriell turbulens. Bakteriell turbulens uppstår dock inte i alla typer av mikroorganism-suspensioner. I koncenterade suspensioner av den encelliga algen C. reinhardtii går det inte att observera bakteriell turbulens. Flödesfältet som C. reinhardtii genrerar är nämligen annourlunda än det som går att observera hos t.ex E. coli och kan inte ge upphov till bakteriell turbluens.

I det här examensarbetet studeras egenskaper hos suspensioner bestånde av blandningar av flödesfält som genererar aktiv turbulens, så kallade pushers, och de som inte gör det, så kallde pullers. Vi har gjort dessa studier i form utav numeriska beräkningar och datorsimulationer. Vi försöker först med att förstå oss på tvåkroppsinteraktionen mellan par av pushers, pullers och blandade pusher/puller par. Vi studerar även beteendet av flocking och den omgivande vätskans egenskaper för olika koncentrationer och blandningar av pushers och pullers. Slutligen studerar vi även egenskaper hos ickesimmande pushers respektive pullers, så kallde shakers.Våra resultat visar att närvaron av pullers i en pusher suspension kan ha en destruktiv effekt på bakteriell turbulens. Blandningsfraktionen av pullers och pushers påverkar många egenskaper gällande den bakteriella turbulensens hydrodynamiska egenskaper. Vi har även observerat att suspensioner bestående av lika många pushers som pullers uppvisar liknande egenskaper som icke-växelverkande suspensioner.

Dessa resultat kan komma till användning då det kommer till att förstå processer där bakterier och andra mikroorganismer är relevanta. Då de nästan alltid existerar i kolonier och utgör en grundstomme i många ekologiska och biologiska processer är det lätt att tänka sig att våra resultat kan komma till användning i många olika studier. Baktierer är t.ex viktiga i kolets kretslopp, syrets kretslopp, matsmältningprocessen och infektionsförlopp. Våra resultat kan även generaliserar till artificiella mikropskopiska robotar, s.k.”artificial microswimmers”. I framtiden kommer man kanske kunna använda dessa för drug delivery, kirurgi och i mikrofludiska applikationer.

• author: Anjum, Shan
• supervisor: Joakim Stenhammar
• organization: Biophysical Chemistry
• course: KFKM05 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy; Chemistry; Technology and Engineering
• keywords: biophysics, active matter, collective motion, microswimmers, biohydrodynamics, non-equilibrium physics, low reynolds number physics, biophysical chemistry, biofysikalisk kemi
• language: English
• id: 8987675
• date added to LUP: 2019-07-04 16:12:49
• date last changed: 2019-07-04 16:12:49