Arbeitsgruppe Wittkowski

Diese Arbeitsgruppe befasst sich mit der Theoretischen Physik aktiver weicher Materialien. Dies umfasst ihre grundlegenden Eigenschaften und praktischen Anwendungen. Aktuelle Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe sind durch Schall oder Licht angetriebene Mikroroboter, Akustofluidik, Mikrofluidik, Strömungsmechanische Computersimulationen, Ultraschall, Programmierbare und intelligente Materialien, 3D-Druck und Künstliche neuronale Netze sowie die Anwendungen dieser Themen in Medizin und Maschinenbau. Methodische Schwerpunkte der Arbeitsgruppe sind Modellierung, Methodenentwicklung, Computersimulationen und Softwareentwicklung.

Aktive Teilchen: Dies sind Mikropartikel, die über einen Antriebsmechanismus verfügen. Wenn sie mit Energie versorgt werden, können sie sich z.B. fortbewegen. Ein Beispiel für aktive Teilchen sind Mikroroboter. Sie können sich auf viel kompliziertere Weise verhalten als gewöhnliche Partikel.

Mikroroboter: Diese aktiven Teilchen können sich ähnlich wie ferngesteuerte Mikro-U-Boote fortbewegen. Wir entwickeln sie weiter und erforschen ihre Eigenschaften. Mikroroboter sollen in der Medizin (z.B. für zielgerichteten Wirkstofftransport) und als Grundlage für neue aktive Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften zum Einsatz kommen. Unser Schwerpunkt liegt auf Mikrorobotern, die durch Ultraschall mit Energie versorgt werden. Wir befassen uns auch mit durch Licht angetriebenen Mikrorobotern.

Akustofluidik: Dieses Gebiet befasst sich mit Strömungen, die durch die Einwirkung von Schall auf Flüssigkeiten verursacht werden können. Es ist also eine Kombination von Akustik und Strömungsmechanik. Wir interessieren uns vor allem für die Anwendungen der Akustofluidik. Dazu gehören akustische Pinzetten, die Tropfen und andere kleine Objekte allein durch Schallfelder zum Schweben bringen und bewegen können. Dies ermöglicht z.B., chemische Reaktionen ohne störende Reaktionsgefäße ablaufen zu lassen und dabei zu beobachten. Akustische Pinzetten können auch Zellen bewegen und sortieren und haben dadurch Anwendungspotenzial in der Biomedizin. Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Akustofluidik sind mikrofluidische Pumpen für Lab-on-a-Chip-Anwendungen, die mit Schall und ohne bewegliche Teile funktionieren, und das effizientere Durchmischen von Fluiden allein durch Schall und ohne Rührwerk für Chemie und Pharmazie. Akustofluidische Effekte können auch genutzt werden, um chemische Reaktionen schneller ablaufen zu lassen.

Mikrofluidik: Wir befassen uns mit Anwendungen der Mikrofluidik. Dieses Gebiet behandelt die Strömung von Fluiden im Mikrometer-Bereich. Es ist insbesondere für Lab-on-a-Chip-Anwendungen und die Strömung von Blut durch die Kapillargefäße im Körper von großer Bedeutung. Die Mikrofluidik ermöglicht es, Analysen z.B. für die Lebenswissenschaften mit viel kleineren Probenmengen, günstiger, schneller und dadurch auch nachhaltiger durchzuführen als es mit anderen Methoden möglich ist. Auch die Coronavirus-Antigen-Schnelltests basieren auf Mikrofluidik.

Strömungsmechanische Computersimulationen: Wir entwickeln die Software AcoDyn (https://acodyn.com/). Sie ist in der Programmiersprache Rust geschrieben und ermöglicht effiziente Simulationen insbesondere von akustofluidischen und mikrofluidischen Strömungen.

Aktive Materialien: Dies sind Materialien, die aus einem gewöhnlichen flüssigen oder weichen Material und darin eingebetteten aktiven Teilchen bestehen. Sie sind gleichgewichtsferne Materialien und können dadurch außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen, die bei gewöhnlichen Materialien nicht auftreten können.

Programmierbare Materialien: Wir arbeiten an neuen Materialien mit programmierbaren Eigenschaften auf der Grundlage von aktiven Materialien.

Intelligente Materialien: Wir arbeiten an Materialien, die Eigenschaften künstlicher Intelligenz aufweisen können. Zum Beispiel interessieren wir uns für die Entwicklung von aktiven Materialien, die als künstliche neuronale Netze oder Reservoir für das Reservoir Computing dienen können.

3D-Druck: Wir arbeiten daran, Ultraschall einzusetzen, um den 3D-Biodruck von biologischem Gewebe und Organen zu beschleunigen.