Mischen im Mikrokosmos – ohne Turbulenz

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In viskosen Flüssigkeiten wie Honig, in denen keine Turbulenz auftritt, ist eine echte Vermischung schwierig, da sie ein Zusammenspiel aus äußerer Rührbewegung und molekularem Rauschen erfordert. | Copyright: MPI-DS, LMP | Download

In turbulenten Flüssigkeiten geschieht die Vermischung der Komponenten problemlos. In viskoseren Flüssigkeiten jedoch, wie sie beispielsweise im Inneren von Zellen vorkommen, ist die Vermischung von Partikeln und Molekülen wesentlich schwieriger, jedoch wichtige Voraussetzung für deren Funktionalität. Da in solchen Systemen auch die Zeit eine Rolle spielt, reicht die langsame Vermischung durch bloße Molekülbewegung in der Regel nicht aus. Effiziente Mechanismen sind erforderlich, um die Funktionalität aufrechtzuerhalten.

In der Abteilung „Physik lebender Materie” am MPI-DS untersuchten Wissenschaftler*innen die universellen physikalischen Prinzipien, die solchen Mischdynamiken zugrunde liegen. Sie identifizierten Mechanismen, die eine optimale Vermischung des Systems ermöglichen, wenn Energiekosten oder Flüssigkeitsbewegung limitierende Faktoren sind.

„Wir haben festgestellt, dass die effektivsten Rührstrategien eine universelle Struktur aufweisen und zeitlich symmetrisch sind”, sagt Luca Cocconi, Erstautor der Studie. „Diese optimierten Protokolle zeigen eine grundlegende Grenze auf, wie effizient Informationen – beispielsweise über die Identität und Position von Partikeln – in solchen Systemen gelöscht werden können.“

„Wir konnten explizite Ergebnisse ableiten, ohne auf Simulationen zurückgreifen zu müssen“, erklärt Andrej Vilfan, Letztautor der Studie. „Das ist bemerkenswert, da solche Optimierungsprobleme oft nicht analytisch lösbar sind“, fährt er fort.

Insgesamt vertieft die Studie das Verständnis der Mischdynamik sowohl in zellulären als auch in mikrofluidischen Systemen. Gleichzeitig liefert sie theoretische Bereiche für die Parameter bei der Entwicklung effizienter Mischstrategien in der Mikrotechnik.

Originalpublikation:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/cl9m-cmhb