Investigation of Brownian motion in simple and complex fluids under oscillatory perturbations

Abstract

Brownian motion is present in any kind of fluid at a finite temperature and thus plays an important role in our daily life. Under normal circumstances, these stochastic forces are independent in orthonormal directions. If specific flow profiles are present, though, this situation may change. Three systems were examined in the scope of this thesis, in which Brownian motion plays a central role. A setup of optical tweezers was utilized to confine single colloids within a microfluidic device while being subjected to a continuous shear flow. The shearing forces led to a coupling of motion in the direction parallel and perpendicular to the flow direction, and hence, gave rise to particular cross-correlation functions. Their specific features allowed the characterization of the flow. The second system of interest is the biological fluid mucus, which covers and shields many organs in the human body. Respiratory mucus, found in the tracheal region of the body, is crucial to the transport of medical drugs and was investigated using macro- and microrheological methods. This confrontation of large and small structural scales revealed insight into the unique transport properties of the material. In the third part of this thesis, DNA molecules of the bacteriophage λ were utilized to research the dynamic mechanical properties of these polymers in an oscillating, linear shear flow. A basic bead-spring model was successfully applied to predict the displacement of the center of mass of the molecules. However, phase shifts between driving and response oscillation, which could not be explained by the model, leave room for debates.

In Flüssigkeiten laufen bei Temperaturen oberhalb des Nullpunkts jederzeit dynamische Prozesse ab, die durch die Brownsche Molekularbewegung verursacht werden. Normalerweise ist die Bewegung in orthogonalen Richtungen statistisch unabhängig, in bestimmten Flüssen kann sich diese Situation jedoch ändern. Im Rahmen dieser Dissertation wurden drei Systeme untersucht, in denen der Brownschen Molekularbewegung eine zentrale Bedeutung zukommt. Eine optische Pinzette wurde verwendet um einzelne Kolloide in einer Mikrofluidik zu lokalisieren, während sie gleichzeitig einem kontinuierlichen Scherfluss ausgesetzt wurden. Die Scherkräfte führten zu einer Kopplung der Auslenkungen in und senkrecht zur Flussrichtung und verursachten dadurch charakteristische Kreuzkorrelationsfunktionen. Ihr Verlauf konnte zur Analyse des Flusses eingesetzt werden. Beim zweiten untersuchten System handelt es sich um Mukus, eine biologische Flüssigkeit, die viele Organe im menschlichen Körper bedeckt und schützt. Respiratorischer Mukus, der im Bereich der Atemwege vorkommt, hat eine große Bedeutung beim Transport von Arzneiwirkstoffen in den Körper und wurde mittels makro- und mikrorheologischer Methoden untersucht. Die Gegenüberstellung der verschiedenen Größenordnungen der Strukturen erlaubten Einblick in die einzigartigen Transporteigenschaften des Materials. Im dritten Teil der Arbeit wurden DNA der Bakteriophage λ verwendet, um ihre dynamischen mechanischen Eigenschaften in einem oszillierenden, linearen Scherfluss zu erforschen. Ein grundlegendes Kugel-Feder-Modell wurde erfolgreich angewandt, um die Auslenkung des Masseschwerpunktes der Moleküle vorherzusagen. Allerdings lassen Phasenverschiebungen zwischen antreibender Schwingung und Antwortschwingung, die nicht vom Modell erfasst werden konnten, Raum für Diskussion.