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Non-equilibrium dynamics of actively-driven viscoelastic networks
Non-equilibrium dynamics of actively-driven viscoelastic networks
To maintain internal organization, living systems need to dissipate energy at the molecular level, thus operating far from thermodynamic equilibrium. At the larger scales, non-equilibrium behavior can be manifest through circulation in the phase space of mesoscopic coordinates and various techniques and measures have been developed to detect and quantify this circulation. It is however still not clear what these measures teach us about the physical properties of the system and how they can be employed to make useful predictions. In the following thesis, we will first review recent progress in detecting and quantifying mesoscopic currents in soft living systems; we will then employ minimal models of actively driven viscoelastic networks to understand how the non-equilibrium dynamics are affected by the internal mechanical structure. Finally, we will introduce a method of assessing non-equilibrium fluctuations in a tracking-free fashion via time-lapse microscopy imaging., Um ihre innere Organisation aufrechtzuerhalten, müssen lebende Systeme Energie auf molekularer Ebene dissipieren. Somit arbeiten sie weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht. Auf größeren Skalen kann sich Nichtgleichgewichtsverhalten in zirkulärer Bewegung im Phasenraum der mesoskopischen Koordinaten niederschlagen. Um diese Zirkulation zu erkennen und zu quantifizieren, wurden verschiedene Techniken und Methoden entwickelt. Es ist jedoch immer noch nicht klar, was diese Methoden über die physikalischen Eigenschaften des Systems aussagen und wie sie für nützliche Vorhersagen eingesetzt werden können. In dieser Arbeit werden wir zunächst die jüngsten Fortschritte bei der Erkennung und Quantifizierung mesoskopischer Ströme in Systemen aus weicher lebendender Materie untersuchen. Anschließend werden wir minimale Modelle aktiv getriebener viskoelastischer Netzwerke verwenden, um zu verstehen, wie die Nichtgleichgewichtsdynamik durch deren interne mechanische Struktur beeinflusst wird. Schließlich werden wir eine Methode zur Messung von Nichtgleichgewichtsfluktuationen aus Zeitraffermikroskopieaufnahmen, ohne tracking auskommt, einführen.
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Gnesotto, Federico S.
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Gnesotto, Federico S. (2020): Non-equilibrium dynamics of actively-driven viscoelastic networks. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

To maintain internal organization, living systems need to dissipate energy at the molecular level, thus operating far from thermodynamic equilibrium. At the larger scales, non-equilibrium behavior can be manifest through circulation in the phase space of mesoscopic coordinates and various techniques and measures have been developed to detect and quantify this circulation. It is however still not clear what these measures teach us about the physical properties of the system and how they can be employed to make useful predictions. In the following thesis, we will first review recent progress in detecting and quantifying mesoscopic currents in soft living systems; we will then employ minimal models of actively driven viscoelastic networks to understand how the non-equilibrium dynamics are affected by the internal mechanical structure. Finally, we will introduce a method of assessing non-equilibrium fluctuations in a tracking-free fashion via time-lapse microscopy imaging.

Abstract

Um ihre innere Organisation aufrechtzuerhalten, müssen lebende Systeme Energie auf molekularer Ebene dissipieren. Somit arbeiten sie weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht. Auf größeren Skalen kann sich Nichtgleichgewichtsverhalten in zirkulärer Bewegung im Phasenraum der mesoskopischen Koordinaten niederschlagen. Um diese Zirkulation zu erkennen und zu quantifizieren, wurden verschiedene Techniken und Methoden entwickelt. Es ist jedoch immer noch nicht klar, was diese Methoden über die physikalischen Eigenschaften des Systems aussagen und wie sie für nützliche Vorhersagen eingesetzt werden können. In dieser Arbeit werden wir zunächst die jüngsten Fortschritte bei der Erkennung und Quantifizierung mesoskopischer Ströme in Systemen aus weicher lebendender Materie untersuchen. Anschließend werden wir minimale Modelle aktiv getriebener viskoelastischer Netzwerke verwenden, um zu verstehen, wie die Nichtgleichgewichtsdynamik durch deren interne mechanische Struktur beeinflusst wird. Schließlich werden wir eine Methode zur Messung von Nichtgleichgewichtsfluktuationen aus Zeitraffermikroskopieaufnahmen, ohne tracking auskommt, einführen.