title: Directing magneto-active particles with applied fields
Creators: name: Kaiser, Martin
Publisher: name: :none
Year: 2022

description: Die Idee, Nanomotoren zu entwickeln und einzusetzen, hat in den letzten Jahren aufgrund von Fortschritten bei den Herstellungs- und Messtechniken immer mehr an Popularität gewonnen. Die interdisziplinäre Forschung auf diesem Gebiet verspricht neuartige Konzepte zur Nutzung geeigneter Nanomotoren für mechanische und biologische Anwendungen. Die Schlüsselfaktoren, die einen Nanomotor dazu eignen, sind seine Fähigkeit, sich selbst anzutreiben, während er gleichzeitig für externe Stimuli zur Steuerung seiner Antriebsrichtung empfänglich ist. Diese beiden Eigenschaften in einem nanometer großen Motor zu vereinen, ist eine Aufgabe, die noch optimiert werden muss, und neue Wege, diese Partikel zu entwickeln und zu verstehen, ist unerlässlich, um das Forschungsfeld über seine derzeitigen Grenzen hinaus zu erweitern. Die in dieser Thesis untersuchten Systeme sind ein Beispiel für eine breite Klasse von Materialien aus so genannter weicher Materie. Was das Interesse an Systemen aus weicher Materie weckt, ist die Reaktionsfähigkeit ihrer Bausteine, seien es (Makro-)Moleküle, Kolloide oder Nanopartikel, auf ein breites Spektrum äußerer Reize wie Temperatur, pH-Wert, Zugabe von Substanzen oder elektrische Felder. Aufgrund der Kombination von Zeit- und Längenskalen kommt dem Zusammenspiel von Entropie und Wechselwirkungsenergie in weicher Materie eine besondere Bedeutung zu. Die Konkurrenz zwischen internen Kräften und zufälligen thermischen Fluktuationen kann zu Selbstorganisationsprozessen von Verbindungen aus weicher Materie führen, deren Kontrolle eine Perspektive für die Schaffung funktioneller, kontrollierbarer Materialien eröffnet. Im Gegensatz zu den meisten der oben erwähnten externen Stimuli, die die Prozesse in lebenden Zellen und Organismen stören, bilden Magnetfelder eine Ausnahme von dieser häufig auftretenden Einschränkung, da gezeigt werden konnte, dass Feldflussdichten von bis zu einigen mT biologische Prozesse nicht beeinträchtigen. Dies macht magnetische Systeme aus weicher Materie zu einer vielversprechenden Quelle für die Entwicklung neuer biokompatibler intelligenter Materialien. Diese Thesis befasst sich mit der Modellierung und Durchführung von Computersimulationen aktiver und magnetischer kolloidaler Systeme. Eines der Kolloide besteht aus einem magnetischen Nanowürfel, dessen Antrieb durch einen Platinkeim an einer seiner Ecken erfolgt, der eine geeignetes Antriebsmittel zersetzt und in kinetische Energie umformt. Die Würfelgeometrie bringt zwei wesentliche Vorteile mit sich. Erstens besteht sofort eine Einheit aufgrund des Syntheseprozesses aus einem magnetischen Teil und einer aktiven Komponente und ist daher per Konstruktion für den aktiven Transport funktionalisiert und für Magnetfelder empfänglich. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, die Partikel weiter zu bearbeiten, wie es bei sphärischen Geometrien oft der Fall ist. Zweitens ist die Magnetisierungsausrichtung eines Würfels in der Regel innerhalb der Partikelachse genau definiert, was zu einer begrenzten Anzahl von gegenseitigen Ausrichtungen von Antriebskraft und magnetischem Moment führt, im Gegensatz zu Sphären, bei denen die Anbringung einer aktiven Einheit an der Oberfläche zu einer endlosen Anzahl von Kraft-Moment-Kombinationen führt. Zu guter Letzt führt die Ausrichtung der intrinsischen Magnetisierung in Bezug auf die aktive Kraft zu einer einzigartigen Richtungsabhängigkeit des Antriebs der aktiven Einheit, die sich für isolierte Kolloide und Ensembles als zutreffend erweist.
description: The idea of creating and using nanomotors has become more and more popular over the past years due to advances in fabrication and measuring techniques. The interdisciplinary research done in this field promises novel concepts to utilize suitable nanomotors for mechanical and biological applications. The key factors that make a nanomotor suitable are its ability to propel itself, while at the same time being susceptible to external inputs for the control of its propelling direction. Achieving those two properties in a nanometer sized motor is a task yet to be optimized and new ways of forging and understanding those particles are essential for pushing the field beyond its current frontiers. The systems of interest in this thesis are an example of a broad class of so-called soft matter materials. Selected members of this class are liquids, colloidal suspensions of individual dissolved particles, polymer based suspensions, liquid crystals and gels. What ignites the interest to soft mater systems, is the responsivness of its building blocks, be that (macro)molecules, colloids or nanoparticles to a wide range of external stimuli like temperature, pH, addition of substances, or electric fields. Special place in soft matter, due to the combination of time- and length-scales, is given to the interplay between entropy and interaction energy. The competition between internal forces and randomising thermal fluctuations can result in soft matter compounds self-assembly processes, whose tuning and controlling opens up a perspective of creating functional controllable materials. Unlike most of the external stimuli, mentioned in the previous paragraph, that interfere with processes taking place in living cells and organisms, magnetic fields build an exception to this often occurring limitation as it has been shown that field flux densities of up to a couple of mT do not bias biologic processes. This positions magnetic soft matter systems as a promising source to create new bio-compatible smart materials. This thesis deals with the modelling and execution of computer simulations of active and magnetic colloidal systems. One of the colloids consists of a magnetic nanocube, to which propulsion is provided by a platinum seed sitting on one of its corners that decomposes an appropriate fuel solution, converting chemical into kinetic energy. The cube geometry brings forward two main advantages. First, due to the synthesis process, one unit immediately comprises a magnetic part and an active component and is therefore per construction functionalized for active transport as well as being susceptible to magnetic fields. This eradicates the need for further processing the particles, as it is often the case for spherical geometries. Second, the magnetization orientation of a cube is usually well-defined within the particle axes, this way leading to a limited set of mutual propulsion force - magnetic moment mutual orientations, in contrast to spheres, where the attachment of an active unit to the surface results in endless number of force-moment combinations. The last, but not least, the orientation of the intrinsic magnetisation with respect to the active force results in the unique directionality of the active unit propulsion, which is found to be true for isolated colloids and bulk ensembles.