Migration reversal of soft particles in vertical flows

Non-neutrally buoyant soft particles in vertical microflows are investigated. We find, soft particles lighter than the liquid migrate to off-center streamlines in a downward Poiseuille flow (buoyancy-force antiparallel to flow). In contrast, heavy soft particles migrate to the center of the downward (and vanishing) Poiseuille flow. A reversal of the flow direction causes in both cases a reversal of the migration direction, i. e. heavier (lighter) particles migrate away from (to) the center of a parabolic flow profile. Non-neutrally buoyant particles migrate also in a linear shear flow across the parallel streamlines: heavy (light) particles migrate along (antiparallel to) the local shear gradient. This surprising, flow-dependent migration is characterized by simulations and analytical calculations for small particle deformations, confirming our plausible explanation of the effect. This density dependent migration reversal may be useful for separating particles.Comment: 8 pages, 7 figure

Cross-stream transport of asymmetric particles driven by oscillating shear

We study the dynamics of asymmetric, deformable particles in oscillatory, linear shear flow. By simulating the motion of a dumbbell, a ring polymer, and a capsule we show that cross-stream migration occurs for asymmetric elastic particles even in linear shear flow if the shear rate varies in time. The migration is generic as it does not depend on the particle dimension. Importantly, the migration velocity and migration direction are robust to variations of the initial particle orientation, making our proposed scheme suitable for sorting particles with asymmetric material properties.Comment: 5 pages, 4 figure

Interdisziplinäre Konzeptentwicklung interaktiver digitaler Lehr-Lernmedien durch Fachdidaktik und Design

Das Projekt Real:Digital – die Integration zweier Welten(nf. Real:Digital) widmet sich der physikalischen Lehre im Spannungsfeld realer und digitaler Repräsentationen. Um die Glaubwürdigkeit realer Experimente und das Potential interaktiver digitaler Lehr-Lernmedien gewinnbringend integrativ zu nutzen, ist die Berücksichtigung unterschiedlicher Expertisen in der Konzeption entsprechender Lehr-Lernmaterialien notwendig. Bezüglich der Entwicklung interaktiver digitaler Lehr-Lernmedien wurden zahlreiche Gestaltungsmerkmale in empirischen Untersuchungen eingehend analysiert. Die Betrachtung verfügbarer interaktiver digitaler Lehr-Lernmaterialien lässt darauf schließen, dass die an der Entwicklung beteiligten Disziplinen Fachdidaktik (und Schule) sowie Design spezifische Gestaltungsmerkmale in unterschiedlicher Form und in variierendem Maß berücksichtigen.In diesem Sinne wurden in einem Workshop mit Teilnehmenden der Disziplinen Fachdidaktik und Design sowie Lehrkräften Konzepte für ein interaktives digitales Lehr-Lernmedium zu einem exemplarischen Realexperiment (Wirbelstrombremse) entwickelt. Der Workshop ermöglichte einen Austausch der beteiligten Disziplinen und wurde durch eine Studie zu disziplintypischen Gestaltungsmerkmalen und dem Einfluss interdisziplinärer Arbeit auf Entscheidungen im Konzeptentwicklungsprozess begleitet. Die Befunde weisen auf Unterschiede zwischen den Gruppen insbesondere im Bereich narrativer Elemente und hinsichtlich des Ausmaßes an Interaktivität bei den interaktiven digitalen Lehr-Lernmedien hin.

Interdisziplinäre Konzeptentwicklung interaktiver digitaler Lehr-Lernmedien durch Fachdidaktik und Design

Das Projekt Real:Digital – die Integration zweier Welten(nf. Real:Digital) widmet sich der physikalischen Lehre im Spannungsfeld realer und digitaler Repräsentationen. Um die Glaubwürdigkeit realer Experimente und das Potential interaktiver digitaler Lehr-Lernmedien gewinnbringend integrativ zu nutzen, ist die Berücksichtigung unterschiedlicher Expertisen in der Konzeption entsprechender Lehr-Lernmaterialien notwendig. Bezüglich der Entwicklung interaktiver digitaler Lehr-Lernmedien wurden zahlreiche Gestaltungsmerkmale in empirischen Untersuchungen eingehend analysiert. Die Betrachtung verfügbarer interaktiver digitaler Lehr-Lernmaterialien lässt darauf schließen, dass die an der Entwicklung beteiligten Disziplinen Fachdidaktik (und Schule) sowie Design spezifische Gestaltungsmerkmale in unterschiedlicher Form und in variierendem Maß berücksichtigen.In diesem Sinne wurden in einem Workshop mit Teilnehmenden der Disziplinen Fachdidaktik und Design sowie Lehrkräften Konzepte für ein interaktives digitales Lehr-Lernmedium zu einem exemplarischen Realexperiment (Wirbelstrombremse) entwickelt. Der Workshop ermöglichte einen Austausch der beteiligten Disziplinen und wurde durch eine Studie zu disziplintypischen Gestaltungsmerkmalen und dem Einfluss interdisziplinärer Arbeit auf Entscheidungen im Konzeptentwicklungsprozess begleitet. Die Befunde weisen auf Unterschiede zwischen den Gruppen insbesondere im Bereich narrativer Elemente und hinsichtlich des Ausmaßes an Interaktivität bei den interaktiven digitalen Lehr-Lernmedien hin.

Measurement of the magnetic moment of single Magnetospirillum gryphiswaldense cells by magnetic tweezers

Magnetospirillum gryphiswaldense is a helix-shaped magnetotactic bacterium that synthesizes ironoxide nanocrystals, which allow navigation along the geomagnetic field. The bacterium has already been thoroughly investigated at the molecular and cellular levels. However, the fundamental physical property enabling it to perform magnetotaxis, its magnetic moment, remains to be elucidated at the single cell level. We present a method based on magnetic tweezers; in combination with Stokesian dynamics and Boundary Integral Method calculations, this method allows the simultaneous measurement of the magnetic moments of multiple single bacteria. The method is demonstrated by quantifying the distribution of the individual magnetic moments of several hundred cells of M. gryphiswaldense. In contrast to other techniques for measuring the average magnetic moment of bacterial populations, our method accounts for the size and the helical shape of each individual cell. In addition, we determined the distribution of the saturation magnetic moments of the bacteria from electron microscopy data. Our results are in agreement with the known relative magnetization behavior of the bacteria. Our method can be combined with single cell imaging techniques and thus can address novel questions about the functions of components of the molecular magnetosome biosynthesis machinery and their correlation with the resulting magnetic moment

Focusing and splitting streams of soft particles in microflows via viscosity gradients

Microflows are intensively used for investigating and controlling the dynamics of particles, including soft particles such as biological cells and capsules. A classic result is the tank-treading motion of elliptically deformed soft particles in linear shear flows, which do not migrate across straight streamlines in the bulk. However, soft particles migrate across straight streamlines in Poiseuille flows. In this work we describe a new mechanism of cross-streamline migration by using soft capsules with a spherical equilibrium shape. If the viscosity varies perpendicular to the streamlines then the soft particles migrate across streamlines towards regions of a lower viscosity, even in linear shear flows. An interplay with the repulsive particle-boundary interaction causes then focusing of particles in linear shear flows with the attractor streamline closer to the wall in the low viscosity region. Viscosity variations perpendicular to the streamlines in Poiseuille flows leads either to a shift of the particle attractor or even to a splitting of particle attractors, which may give rise to interesting applications for particle separation. The location of attracting streamlines depend on the particle properties, like their size and elasticity. The cross-stream migration induced by viscosity variations is explained by analytical considerations, Stokesian dynamics simulations with a generalized Oseen tensor and lattice-Boltzmann simulations

Engineering passive swimmers by shaking liquids

The locomotion and design of microswimmers are topical issues of current fundamental and applied research. In addition to numerous living and artificial active microswimmers, a passive microswimmer was identified only recently: a soft, Lambda-shaped, non-buoyant particle propagates in a shaken liquid of zero-mean velocity [Jo et al. Phys. Rev. E 94, 063116 (2016)]. We show that this novel passive locomotion mechanism works for realistic non-buoyant, asymmetric Janus microcapsules as well. According to our analytical approximation, this locomotion requires a symmetry breaking caused by different Stokes drags of soft particles during the two half periods of the oscillatory liquid motion. It is the intrinsic anisotropy of Janus capsules and Lambda-shaped particles that break this symmetry for sinusoidal liquid motion. Further, we show that this passive locomotion mechanism also works for the wider class of symmetric soft particles, e.g., capsules, by breaking the symmetry via an appropriate liquid shaking. The swimming direction can be uniquely selected by a suitable choice of the liquid motion. Numerical studies, including lattice Boltzmann simulations, also show that this locomotion can outweigh gravity, i.e., non-buoyant particles may be either elevated in shaken liquids or concentrated at the bottom of a container. This novel propulsion mechanism is relevant to many applications, including the sorting of soft particles like healthy and malignant (cancer) cells, which serves medical purposes, or the use of non-buoyant soft particles as directed microswimmers .Comment: This is the version of the article before peer review or editing, as submitted by an author to New Journal of Physics. IOP Publishing Ltd is not responsible for any errors or omissions in this version of the manuscript or any version derived from it. The Version of Record is available online at https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab240

Interdisziplinäre Konzeptentwicklung interaktiver digitaler Lehr-Lernmedien durch Fachdidaktik und Design

Das Projekt Real:Digital – die Integration zweier Welten (nf. Real:Digital) widmet sich der physi- kalischen Lehre im Spannungsfeld realer und digitaler Repräsentationen. Um die Glaubwürdigkeit realer Experimente und das Potential interaktiver digitaler Lehr-Lernmedien gewinnbringend integrativ zu nutzen, ist die Berücksichtigung unterschiedlicher Expertisen in der Konzeption entsprechender Lehr-Lernmaterialien notwendig. Bezüglich der Entwicklung interaktiver digitaler Lehr- Lernmedien wurden zahlreiche Gestaltungsmerkmale in empirischen Untersuchungen eingehend analysiert. Die Betrachtung verfügbarer interaktiver digitaler Lehr-Lernmaterialien lässt darauf schließen, dass die an der Entwicklung beteiligten Disziplinen Fachdidaktik (und Schule) sowie Design spezifische Gestaltungsmerkmale in unterschiedlicher Form und in variierendem Maß berücksichtigen. In diesem Sinne wurden in einem Workshop mit Teilnehmenden der Disziplinen Fachdidaktik und Design sowie Lehrkräften Konzepte für ein interaktives digitales Lehr-Lernmedium zu einem exemplarischen Realexperiment (Wirbelstrombremse) entwickelt. Der Workshop ermöglichte einen Austausch der beteiligten Disziplinen und wurde durch eine Studie zu disziplintypischen Gestaltungsmerkmalen und dem Einfluss interdisziplinärer Arbeit auf Entscheidungen im Konzeptentwicklungsprozess begleitet. Die Befunde weisen auf Unterschiede zwischen den Gruppen insbesondere im Bereich narrativer Elemente und hinsichtlich des Ausmaßes an Interaktivität bei den interaktiven digitalen Lehr-Lernmedien hin

Emerging Attractor in Wavy Poiseuille Flows Triggers Sorting of Biological Cells

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