Dynamika aktivních koloidních částic v blízkosti chemicky strukturovaných povrchů

• Název práce v češtině: Dynamika aktivních koloidních částic v blízkosti chemicky strukturovaných povrchů
• Název v anglickém jazyce: Dynamics of active colloidal particles near chemically patterned surfaces
• Klíčová slova: Aktivní hmota|koloidní částice|Brownovská dynamika|hydrodynamika
• Klíčová slova anglicky: Active matter|colloidal particles|Brownian dynamics|hydrodynamics
• Akademický rok vypsání: 2025/2026
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra makromolekulární fyziky (32-KMF)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Artem Ryabov, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Principal tasks:
- Theoretical description and investigation of dynamics of active colloidal particles moving above chemically patterned surfaces. This applies to both the single-particle and the collective dynamics.
- Development of analytical methods (approximate hydrodynamic description) and numerical algorithms (hydrodynamic approaches, Monte Carlo and Brownian dynamics simulations).
- Exploring contemporary literature on stochastic dynamics and thermodynamics of active colloidal systems in inhomogeneous environments.
- Confronting theoretical results against experiments in patterned microfluidic devices.

Seznam odborné literatury

[1] C. Bechinger, R. Di Leonardo, H. Lowen, Ch. Reichhardt, G. Volpe, and G. Volpe, Review of Modern Physics 88, 045006 (2016)
[2] J. Simmchen, J. Katuri, W.E. Uspal, M.N. Popescu, M. Tasinkevych, and S. Sánchez, Nature Communications 7, 10598 (2016)
[3] W.E. Uspal, M.N. Popescu, S. Dietrich, and M. Tasinkevych, Physical Review Letters 117, 048002 (2016)
[4] A. Ryabov, V. Holubec, M. H. Yaghoubi, M. Varga, M. E. Foulaadvand, and P. Chvosta, Journal of Statistical Mechanics 2016, 093202 (2016)
[5] A. Ryabov and M. Tasinkevych, Soft Matter 18, 3234 (2022)
[6] A. Ryabov and M. Tasinkevych, Scientific Reports 13, 20572 (2023)
[7] M. Tasinkevych and A. Ryabov, Journal of Molecular Liquids 393, 123566 (2024)

Předběžná náplň práce

Významným příkladem tzv. aktivní hmoty jsou soubory mikroskopických koloidních Janusových částic, které se mohou autonomně pohybovat kapalným prostředím. Pohon takových částic je zprostředkován katalytickými chemickými reakcemi probíhajícími na určitých oblastech jejich povrchu. Podobné aktivní částice se považuji za klíčové komponenty pokročilých mikro a nanotechnologií určených pro cílenou dopravu mikroskopických nákladů jako jsou léčiva. Jednou perspektivní metodou řízení jejich pohybu je vytvoření mikrofluidních čipů s chemicky strukturovanými povrchy. Avšak navzdory rychlému experimentálnímu vývoji v této oblasti, zůstává objasnění kolektivního chování částic v prostorově omezených a nehomogenních prostředích s určitým chemickým vzorkováním stěn stále otevřeným problémem.

Hlavním cílem této teoreticky zaměřené disertační práce je přispět k vyjasnění základních fyzikálních mechanismů interakce aktivních částic a jejich kolektivního chování v blízkosti chemicky strukturovaných povrchů. Primárními prostředky k dosažení tohoto cíle budou analytické poruchové metody a víceškálové stochastické simulace. Konkrétně se zaměříme na studium chemicky aktivních Janusových částic, jejichž pohyb může být kontrolován hydrodynamickými efekty, které vznikají v blízkosti chemicky strukturovaných povrchů. V počátečních stadiích řešení projektu bude prozkoumán pohyb takových částic nad různě strukturovanými povrchy se zaměřením na geometrie relevantní pro dynamiku v reálných zařízeních. Dalším krokem bude studium kolektivní dynamiky aktivních částic a směsi aktivních a pasivních koloidních částic. Pasivní částice si v tomto kontextu lze představit jako náklad přepravovány částicemi aktivními. Cílem bude navrhnout chemické vzorkování povrchu pro experimentální realizaci přesně kontrolovatelné přepravy mikroskopických nákladů. Očekáváme také, že v průběhu zkoumání dynamiky narazíme na nové druhy nerovnovážných fázových separaci a přechodů řízených interakci částic, koncentracemi a geometrii chemického vzorkování povrchu.

Poznatky získané v průběhu řešení projektu mohou vést ke vzniku konkrétních návodů na výrobu autonomních mikrofluidních čipů určených pro dopravu, třídění a separaci mikroskopických nákladů (např. léčiv) a generování ustálených makroskopických toků díky kolektivnímu pohybu aktivních koloidních částic.

Uchazeč by měly mít znalosti na úrovni ukončeného magisterského studia v oboru biofyzika a chemická fyzika, fyzika kondenzovaných soustav a materiálů, nebo teoretická fyzika, a to zejména znalost statistické fyziky (stochastické procesy) a základů matematického modelování (simulace Markovských procesů). Téma práce bude řešeno ve spolupráci s Dr. Mykolou Tasinkevychem z Nottingham Trent University (Velká Británie). Jazykem práce bude angličtina.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Active matter represents a new form of non-equilibrium soft condensed matter where energy harvesting and conversion occur at the level of individual constituents. A prominent example of artificial active matter are micron-sized colloidal Janus particles that can move through liquids propelled by catalytic chemical reactions occurring at a part of their surface. Such active particles are envisioned as key components of advanced micro- and nano-technologies providing novel methods for targeted drug delivery and micromechanics applications in advanced lab-on-a-chip devices. Despite exciting experimental breakthroughs, fully understanding and predicting the emergent collective behavior of active colloids in confined geometries and inhomogeneous environments remains an outstanding challenge. Moreover, the relation between the properties of individual nanoparticles and the final structure of emergent configurations has remained elusive.

Motivated by the significant current knowledge gap that is limiting scientific progress and technological exploitation in this nascent area, it is our ambition to combine in this PhD project theoretical modelling and novel multi-scale simulation methods aiming to uncover underpinning physical mechanisms that control collective dynamics of active colloids at smart chemically patterned surfaces. We will focus on chemically active Janus particles, which can evoke a hydrodynamic response to nearby chemically patterned surfaces. This response will provide a possibility to steer the particle trajectories. Various patterned geometries, relevant for motion within real devices, will be considered. In addition to the single-particle dynamics, we will consider mixtures of active “motor” and passive “cargo” colloidal particles. A goal will be to design surface patterns that could serve as roads to motor-cargo composite particles. These studies are also expected to yield new dynamic phase-separation effects stemming from the interplay between the particle activity, concentration, suspension composition and the structure of confining surfaces.

The results of this project can provide a route towards the design of autonomous microfluidic devices. Potential applications include systems for sorting and separation of micro-cargoes and generation of large-scale flows due to the collective motion of active colloids.

We are looking for an applicant with a background (on the level of finished master studies) in biophysics and chemical physics, condensed matter physics, or theoretical physics, particularly in statistical physics (stochastic processes) and with basic knowledge of numerical simulations of stochastic processes. The PhD project will be carried out in close collaboration with Dr. Mykola Tasinkevych from Nottingham Trent University (United Kingdom). The working language will be English.