Wie Kleinstlebewesen einen ganzen Schwarm verändern

FAU-Forschern gelingt es, erstmals einen großen Schwarm von Mikroschwimmern zu simulieren

Wenn sich Millionen einzelner Organismen in einem Schwarm bewegen, wirkt das oft willkürlich, beinahe chaotisch. Bricht dann noch eines der Kleinstlebewesen aus dem großen Ganzen aus, verändert sich der ganze Schwarm. Mikroschwimmer sind kleinste Einheiten, die sich innerhalb von Flüssigkeiten ausbreiten – Bakterien oder Spermien sind typische Beispiele dafür. Physiker und Informatiker der FAU haben erstmals einen großen Schwarm simuliert und dargestellt, wie die einzelnen Schwimmer im Verbund miteinander agieren.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Jubiläumsausgabe der renommierten Fachzeitschrift Journal of Physics Selected Matters: Emerging Leaders (DOI: 10.1088/1361-648X/aa5a40) veröffentlicht. Die Herausgeber zählen Prof. Dr. Ana Sunčana-Smith von der Professur für Theoretische Physik der FAU zu der nächsten Generation talentierter Physiker.

Ausgehend von den Eigenschaften natürlicher, biologischer Schwimmer bieten künstliche Nachbildungen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel in medizinischen oder material- und umweltwissenschaftlichen Bereichen. So könnten Mikroschwimmer möglicherweise Medikamente zielgenau zu Krankheitsherden wie Tumoren transportieren. Für derartige zukünftige Anwendungen ist es allerdings nötig, genau zu verstehen, wie verschiedene Kräfte von außen die Mikroschwimmer beeinflussen und wie sie reagieren und untereinander agieren.

Simulationsprogramme zeigen Interaktionen von Mikroschwimmern

Bricht nur ein einziger Mikroschwimmer aus dem Gefüge des großen Schwarms aus, so kann dies die Bewegung der gesamten Gruppe ändern. Bislang hat die Forschung vor allem die einzelnen Schwimmer betrachtet. Im Gegensatz dazu haben die Erlanger Forscher um Sunčana-Smith und Prof. Dr. Ulrich Rüde vom Lehrstuhl für Systemsimulation nun nicht nur die Geometrie der Mikroschwimmer, sondern auch die einzelnen Kräfte, die wechselseitig wirken, untersucht. Die durchgeführte Simulation ist in ihrer Größenordnung bislang weltweit einzigartig.

Dafür nutzten die Wissenschaftler die an der FAU entwickelten Simulationsprogramme waLBerla und pe. Die Programme ermöglichen es, große Gruppen vollständig geometrisch aufgelöster und beliebig geformter Partikel in Strömungen zu simulieren. Die Schwimmer wurden durch drei Kugeln, die mit zwei Springfedern verbunden sind – ähnlich einem Jo-Jo –, dargestellt und dann verschiedenen Kräften der flüssigen Umgebung ausgesetzt. WaLBerla und pe haben gemessen, wie schnell sich die Schwimmer bewegen und wie sie während der Bewegung miteinander und ihrer Umgebung agieren. Die Möglichkeit der Programme, bis zu 11.000 Berechnungen parallel ablaufen zu lassen, ermöglicht es, schrittweise ein Bild davon zu erlangen, wie kompliziert Schwarmstrukturen werden, wenn einfache Mikroschwimmer in großen Zahlen interagieren.

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Ana-Sunčana Smith
Tel.: 09131/85-20842
smith@physik.fau.de