Complex dynamics of sheared active particle suspensions
Aktif partikül süspansiyonlarının kesme akışı altında karmaşık dinamikleri
- Tez No: 898103
- Danışmanlar: DOÇ. DR. LUCA BIANCOFIORE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Aktif sistemler, doğal yada yapay, kendilerini denge dışına çıkarmak için çevrelerinden enerji çekme yetenekleriyle bilinirler. Bu yetenekleri sayesinde sürü ve kümelenme gibi çeşitli denge dışı olaylara yol açarak yeni aktif malzemeler ve teknolojiler tasarlamada potansiyel kullanımlar yaratır. Bu aktif sistemler arasında, özellikle aktif kolloidal süspansiyonların ve kiral aktif polimer zincirlerinin kayma akışına maruz kaldıklarında karmaşık dinamikleri ve reolojik davranışlarıyla ilgilendik. Bu anlamda, en yaygın hesaplama yöntemlerinden biri olan aktif Brownian dinamikleri (ABP), bu aktif sistemlerin karmaşık dinamiklerini incelemek için kullanıldı. Ayrıca, bu aktif sistemler etrafındaki çözücü dinamiklerinin, özellikle de ortaya çıkan hidrodinamik etkilerin nasıl davrandığını hesaplama açısından verimli bir şekilde simüle etmek için Çok Parçacıklı Çarpışma Dinamiği (MPCD) yöntemi seçilmiştir. Aktif kolloidal süspansiyonların faz geçişleri ve kolektif dinamikleri, özellikle denge dışı sistemler için yumuşak madde fiziğinde ilgi çekici konulardır. Buna ek olarak bu sistemler sabit kesme akışının varlığında zengin reolojik davranışlara yol açabilir. Yoğun bir kolloidal süspansiyonun reolojik tepkisinde öz-itmenin rolü, parçacık-çözümlü Brownian dinamiği simülasyonları kullanılarak araştırdık. İlk olarak, katıdaki aktivite ve kesmenin süspansiyonun düzensiz faza geçişi üzerindeki birleşik etkisi analiz edildi. Hem öz-itme hem de kesme düzeni bozar ve kritik değerler aşılırsa sistemi eritirken, öz-itme geçiş sırasında aşılması gereken stres bariyerini büyük ölçüde düşürdüğü görüldü. Süspansiyon sabit bir duruma ulaşıltıktan sonra, aktif kesme sisteminin reolojik tepkisi araştırıldı. Pasif süspansiyonlar katı benzeri bir davranış gösterirken, parçacığin kendi aktif hareketliliğini açmak sistemi akışkanlaştırdığı görüldü. Düşük öz-itmede, sabit duruma geçmiş aktif kolloidal süspansiyon kesme inceltici bir akışkan gibi davranır. Kendiliğinden itmeyi artırmak, sıvının davranışını kayma incelmesinden kayma kalınlaşmasına değiştirir. Bunu, hareketlilik tarafından tetiklenen kayma süspansiyonlarındaki kümelenmeye bağlıyoruz. Bu yeni olay, hareketlilik kaynaklı kayma kalınlaşmasının (MIST), kolloidal süspansiyonların reolojik tepkisini ayarlamak için kullanılabilir. Aktif Brown dinamiği simülasyonunu daha karmaşık şekilli parçacıklara, örneğin aktif polimerlere genişleterek, iki uzaysal boyutta doğrusal kayma akışında aktif esnek bir polimer zincirinin komplex oluşturma durumunu inceledik. Kiral baş monomer aktiftir ve kiraliteden dolayı dairesel olarak hareket eder. Diğer monomerler ise pasiftir ve hem baş polimerinin hareketini hem de kayma akışını izleyerek hareket ederler. Aktivite, kiralite ve kayma hızının birleşimiyle, doğrusal/karmaşık katlanma ve hem baş içeri hem de baş dışarı morfolojilere sahip spiral gibi çok sayıda farklı durumlar ortaya çıkartır. Uygulanan kaymanın girdaplılığı başın kiral hareketi ile rekabet ettiği bu senaryoda, tüm kompleksin kiralitesi aktivite ile ayarlanabilir. Sonuçlarımız, canlı ve yapay kiral aktif polimer zincirlerinin karmaşık akış alanlarına tepkisini karakterize etmek için önemlidir. Kayma akışı altındaki aktif polimer zincirlerinin bu ilk Brown dinamiği simülasyonları, hidrodinamik etkileşimleri (HI) hesaba katmayarak sistemi Gauss renkli gürültüden etkilenen kuru bir ortama basitleştirmiştir. Fakat HI'nin bu polimerlerin konformasyonel ve dinamik özellikleri üzerindeki potansiyel etkisini fark ederek, çalışmamızı hidrodinamik etkileşimleri hibrit Moleküler Dinamik -Çok Parçacıklı Çarpışma Dinamiği (MD-MPCD) yaklaşımıyla dahil ederek ilerlettik. Böylece bu etkileşimlerin polimer dinamiklerini ve konformasyonlarını nasıl etkilediğine dair deneylerde gözlemlenen daha gerçekçi senaryolar için sonuçlar elde ettik. Bu hibrit yaklaşım ile, hem termal dalgalanmaları hem de çözücünün hidrodinamik etkilerini sisteme dahil ederek polimer dinamiklerinin daha doğru bir şekilde yorumladık. HI tarafından indüklenen şişme etkisinin bu konformasyonal geçişler için önemli etkilere sahip olduğunu gördük. Bu konformasyonel değişikliklerin durum diagramı üzerinde gecikmesine yol açtığını ve HI yokluğunda gözlemlenen belirli durumları engellediğini gözlemledik. Sonuçlar, hidrodinamik etkileşimlerin doğrusal katlanmayı ve baş-içeri spirallenme durumlarını desteklerken, karmaşık katlanmayı ve baş-dışarı spirallenmeyi bastırdığını göstermektedir. Aktif kiral polimer sistemlerinde kesme akışı altında kendi kendine tahrik, kesme ve hidrodinamik arasındaki karmaşık etkileşimi basitçe analiz ederek, gelecekteki araştırmalar ve uygulamalara ışık tutabilecek daha gerçekçi bilgiler elde etmiş olduk.
Özet (Çeviri)
Active systems, whether natural or artificial, have a unique ability to extract energy from their surroundings, driving themselves out of equilibrium. This capability gives rise to a variety of non-equilibrium phenomena such as swarming and clustering, creating potential uses for new materials and technologies. Among these active systems, we are particularly interested in the complex dynamics and the rheological behaviors of active colloidal suspensions and chiral active polymer chains when they are exposed to shear flow. In this sense, active Brownian dynamics (ABP), one of the most common computational methods, is used to study the complex dynamics of these active systems. In addition, the Multiparticle Collision Dynamics (MPCD) method is chosen to simulate in a computationally efficient way how the solvent dynamics, especially the resulting hydrodynamic effects, around these active systems behave. Phase transitions and collective dynamics of active colloidal suspensions are fascinating topics in soft matter physics, particularly for out-of-equilibrium systems, which can lead to rich rheological behaviours in the presence of steady shear flow. The role of self-propulsion in the rheological response of a dense colloidal suspension is investigated by using particle-resolved Brownian dynamics simulations. First, the combined effect of activity and shear in the solid on the disordering transition of the suspension is analyzed. While both self-propulsion and shear destroy order and melt the system if critical values are exceeded, self-propulsion largely lowers the stress barrier needed to be overcome during the transition. We further explore the rheological response of the active sheared system once a steady state is reached. While passive suspensions show a solid-like behaviour, turning on particle motility fluidises the system. At low self-propulsion, the active suspension behaves in a steady state as a shear-thinning fluid. Increasing the self-propulsion changes the behaviour of the liquid from shear-thinning to shear-thickening. We attribute this to clustering in the sheared suspensions induced by motility. This new phenomenon of motility-induced shear thickening (MIST) can be used to tailor the rheological response of colloidal suspensions. Expanding the active Brownian dynamics simulation for particles of more complex shapes such as active polymers, we explore the complex formation of an active flexible polymer chain in linear shear flow in two spatial dimensions. The chiral head monomer is active and circling, while all other monomers are passive following both the motion of the head polymer and the shear flow. By the combination of activity, chirality and shear rate, a wealth of different states are found including the formation of a linear/complex folding and a spiralling state with both head-in and head-out morphologies. As the vorticity of the applied shear competes with the circling sense of the head, the chirality of the whole complex can be tuned by activity. Our results are relevant to characterize the response of living and artificial chiral active polymer chains to complex flow fields. These initial Brownian dynamics simulations of active polymer chains under shear flow did not account for hydrodynamic interactions (HI), which simplified the system to a dry environment influenced only by Gaussian-colored noises. Recognizing the potential impact of HI on the conformational and dynamical properties of these polymers, we advanced our study by incorporating shortly the hydrodynamic interactions using a hybrid Molecular Dynamics-Multiparticle Collision Dynamics (MD-MPCD) approach. In this way, we discuss the polymer dynamics and conformations for more realistic scenarios, observed in experiments. This hybrid approach is an improvement that captures the hydrodynamic effects of the solvent as well as thermal fluctuations. The swelling effect induced by HI is critical for these transitions, causing delayed conformational changes on the state diagram and preventing certain states already observed in the absence of HI. The results show that hydrodynamic interactions enhance linear folding and head-in spiraling states while suppressing complex folding and head-out spiraling. We could analyze simply the complex interplay between self-propulsion, shear, and hydrodynamics in active chiral polymer systems under shear flow, which will provide more realistic insights for future research and applications.
Benzer Tezler
- A1-%3 Li-%0.15 Zr alaşımının mekanik davranışına yaşlanmanın etkisi
The Effect of ageing on the mechanical behavior of A1-3% Li-0.15% Zr alloy
JAFAR GHAEMİ GUİVİ
- Assessment of the autonomous vehicles impacts on urban mobility and urban form
Sürücüsüz araçların kentsel hareketlilik ve kentsel yapısı üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi
MAZDAK SADEGHPOUR
Doktora
İngilizce
2024
Trafikİstanbul Teknik ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
DOÇ. EDA BEYAZIT
- İş zekası ve duygu analizi: Sakarya merkezli sosyal medya verilerinin doğal dil işleme yaklaşımlarıyla incelenmesi
Business intelligence and sentiment analysis: Examining Sakarya-centric social media data through natural language processing approaches
FURKAN SARAÇOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya ÜniversitesiBilişim Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL HAKKI CEDİMOĞLU
- Francis türbini yayıcısındaki girdap oluşumunun etkisini azaltma yöntemlerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleriyle incelenmesi
Investigation of methods to mitigate the effect of vortex formation in the francis turbine draft tube with computational fluid dynamics analysis
KAĞAN ÇAĞLAYAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN AYDER
- Eksenel gerilme, eğilme ve burulma yüklerine maruz katı silindirik yapılarda dönmüş yüzey çatlaklarının karışık mod kırılma analizleri
Mixed mode fracture analyses of deflected surface cracks in solid cylindrical structures under tension, bending and torsion loads
ÇAĞATAY ORHUN ORAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ OSMAN AYHAN