Rheologie und Hydrodynamik des Mikroschwimmers Chlamydomonas reinhardtii als Modell für aktive Fluide

Abstract

Aktive Flüssigkeiten bestehen aus mikroskopischen Schwimmern in einem Medium. Da die Schwimmer oftmals biologischer Natur sind befinden sich Untersuchungen dieser Flüssigkeiten an der Schnittstelle zwischen der Physik und der Biologie. In dieser Arbeit wurde experimentell die Rheologie und Hydrodynamik der einzelligen Alge Chlamydomonas reinhartdtii auf drei verschiedenen Größenskalen untersucht. Auf der makroskopischen Skala zeigte sich der Einfluss der Motilität der Einzelzelle auf die Rheologie einer Suspension dieser Zellen durch Erhöhung der intrinsischen Viskosität unabhängig von deren Ausrichtung zur Gravitation. Visualisierungen in einer Kegel-Platte Geometrie zeigten außerdem ein unterschiedliches Migrationsverhalten von lebenden und fixierten Zellen. Dargestellte mikrorheologische Untersuchungen von sedimentierenden Kugeln in Suspensionen von CR offenbaren ein komplexes Verhalten. Die Trajektorien der passiven tracer-Partikel zeigen eine anomale Diffusion und können somit nicht mehr mit einer Einstein Stokes Beziehung beschrieben werden. Auch konnten kollektive Effekte beobachtet werden, die zu gerichteten Bewegungen der Kugeln führen. Auf Einzelzellebene werden Messungen von CR in der holografischen optischen Pinzette präsentiert. Aus diesen wurden die Schwimmfrequenz von CR und die Separation der Frequenz der beiden Flagellen berechnet. Außerdem werden Messungen des Rotationsdiffusionskoeffizienten in Ruhe und bei einer einfachen Scherung der Zelle gezeigt.

Active fluids consist of microscopic swimmers in a medium. Due to the biological origin of these swimmers this topic is on the interface of the disciplines of physics and biology. In this work, the rheology and hydrodynamics of the unicellular alga Chlamydomonas reinhartdtii (CR) were examined experimentally on three different scales. On a macroscopic scale, the influence of the motility of the individual cell on the rheology of a suspension of the cells by increasing the intrinsic viscosity is independent of the orientation of gravity. Visualizations in a cone-plate geometry showed a different migration behavior of living and fixed cells. Microrheological experiments of sedimenting microspheres in suspensions of CR reveal a complex behavior. The trajectories of passive tracer particles show anomalous diffusion that cannot be described by a Einstein Stokes relation. Collective effects can be observed, which lead to directed motion of the microspheres. On the single cell level measurements of CR are presented in the holographic optical tweezers. From this the swimming frequency of CR and the separation of the frequency of the two flagella has been calculated. Moreover, measurements of the rotational diffusion coefficients are shown at rest and during shearing of a simple cell.