Topological walking bipeds with and without cargo

Titelangaben

Mirzaee Kakhki, Mahla:
Topological walking bipeds with and without cargo.
Bayreuth , 2021 . - ix, 88 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

This cumulative thesis is dedicated to the experimental study of the adiabatic and nonadiabatic
transport of colloidal bipeds that walk on top of periodic magnetic patterns. It
builds on work on the transport of single colloidal particles on top of the same magnetic
patterns. Colloidal bipeds are rods self assembled from single colloidal particles. We
may theoretically view such bipeds as single particles obtained from a single isotropic
colloidal particle by deforming it from the isotropic shape towards the length of the
experimental colloidal biped. The rod lengths is a continuous parameter. I address the
question how a continuous change of the biped lengths effects the topological nature
of the biped transport that occurs if I periodically modulate a homogeneous external
magnetic field as a function of time. I will sort bipeds of certain length ranges into
different topological classes that are transported differently but commensurate with the
period of the magnetic pattern. I will show, how to invert the relation between the
external modulation loop and the resulting transport directions. The inversion allows to
a priori know the parallel polyglot commands in form of the external field loops given the
desired transport directions of the different topological classes of bipeds. I will use the
so developed polyglot language to program polymerization addition reactions between
bipeds and I will program the simultaneous writing of different letters to form a word. I
will extend a gauge theory on transport in low Reynolds number fluids to the situation of
bipeds on a pattern and explain what we can learn about the physics of walking bipeds
by analyzing their motion in two different gauges. I will explain what happens if we leave
the adiabatic regime and how hydrodynamic friction alters the walking character of the
bipeds. Finally I will use non-adiabatic modulation to transfer the topological transport
from bipeds still able to walk to single colloids that if left separated from the bipeds are
no longer able to move.

Abstract in weiterer Sprache

Diese kumulative Arbeit widmet sich der experimentellen Untersuchung des adiabatischen
und nicht-adiabatischen Transports kolloidaler Zweibeiner, die auf periodischen Magnetmustern
laufen. Es baut auf Arbeiten zum Transport einzelner kolloidaler Partikel auf
denselben magnetischen Mustern auf. Kolloidale Zweibeiner sind Stäbe, die aus einzelnen
kolloidalen Partikeln selbst assembliert sind. Wir können solche Zweibeiner theoretisch als
einzelne Partikel betrachten, die aus einem einzelnen isotropen kolloidalen Partikel entstehen,
indem wir es von der isotropen Form auf die Länge des experimentellen kolloidalen
Zweibeiners strecken. Die Stablänge ist ein kontinuierlicher Parameter. Ich beschäftige
mich mit der Frage, wie sich eine kontinuierliche Änderung der Zweibeinerlänge auf
die topologische Natur des Zweibeinertransports auswirkt, der auftritt, wenn ich ein
homogenes externes Magnetfeld als Funktion der Zeit periodisch moduliere. Ich werde
Zweibeiner bestimmter Längenbereiche in verschiedene topologische Klassen sortieren,
die unterschiedlich transportiert werden, aber kommensurabel mit der Periode des magnetischen
Musters bewegt werden. Ich werde zeigen, wie die Beziehung zwischen der
externen Modulationsschleife und den resultierenden Transportrichtungen umgekehrt
werden kann. Die Inversion ermöglicht es a priori, die parallelen Polyglot-Befehle in Form
der externen Feldschleifen zu kennen, wenn die gewünschten Transportrichtungen der
verschiedenen topologischen Klassen von Zweibeinern gegeben sind. Ich werde die so entwickelte
polyglotte Sprache verwenden, um Polymerisationsadditionsreaktionen zwischen
Zweibeinern zu programmieren, und ich werde das gleichzeitige Schreiben verschiedener
Buchstaben programmieren, um ein Wort zu bilden. Ich werde eine Eichtheorie zum
Transport in Flüssigkeiten mit niedriger Reynoldszahl auf die Situation von Zweibeinern
in einem Muster ausweiten und erklären, was wir über die Physik laufender Zweibeiner
lernen können, indem wir ihre Bewegung in zwei verschiedenen Eichungen analysieren.
Ich werde erklären, was passiert, wenn wir das adiabatische Regime verlassen und wie
hydrodynamische Reibung den Gehcharakter der Zweibeiner verändert. Schließlich werde
ich schnellere nicht-adiabatische Modulationen des externen Magnetfelds verwenden, um
den topologischen Transport von Zweibeinern, die noch laufen können, auf einzelne Kolloide
zu übertragen, die sich nicht mehr bewegen können, wenn sie von den Zweibeinern
getrennt bleiben.