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Physik: Friedrich Wilhelm Bessel-Forschungspreisträger an der HHU
Wie viele Fische braucht es für einen Schwarm?

Dr. C. Patrick Royall, Forschungsdirektor an der ESPCI Paris Université PSL, arbeitet aktuell im Rahmen eines Forschungspreises der Humboldt-Stiftung am Institut für Theoretische Physik II der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU). Zusammen mit Prof. Dr. Hartmut Löwen will der englischstämmige Physiker das Schwarmverhalten von Fischen untersuchen, welches ihnen als Modell für aktive Materialien dient. Die Arbeit baut auf ihrer beider Forschungen zu kolloidalen Systemen auf.

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Prof. Dr. Christopher Patrick Royall forscht seit Beginn des Jahres an der HHU, gefördert durch einen Friedrich Wilhelm Bessel-Forschungspreis der Alexander von Humboldt-Stiftung. (Fotos: HHU / Tizian Machtolf)

Kolloidale Teilchen sind mikroskopisch kleine Objekte, die in einer Flüssigkeit schweben. Sie können modellhaft für Festkörper, Flüssigkeiten und Gase stehen, da diese Teilchen denselben Gesetzen der statistischen Mechanik folgen wie Atome und Moleküle. Damit wird es möglich, aus dem Verhalten makroskopischer Systeme auf die Eigenschaften von molekularen Materialien zurückzuschließen.

Kolloide besitzen drei Eigenschaften, die sie für das Verständnis von Materialien wichtig machen: Sie sind langsam, so dass ihre Dynamik auf experimentell leicht zugänglichen Zeitskalen verfolgt werden kann; sie sind groß genug, um mit konfokaler optischer Mikroskopie direkt dreidimensional abgebildet zu werden; und ihre Eigenschaften können so eingestellt werden, dass sie mit den Methoden der statistischen Mechanik genau modelliert werden können.

Aufgrund dessen sind partikelaufgelöste Studien sehr gut geeignet, um allgemeine Probleme bei Materialien wie Keimbildung und Verglasung anzugehen. Prof. Royall kombiniert für seine Forschungen Experimente mit Computersimulationen. Hierbei zeigte sich stets, dass die gemessenen Daten und die Simulationsergebnisse sehr ähnlich sind, so dass sich beide Methoden ergänzen und kombinieren lassen.

Er setzt seine Methodik ein, um die Struktur amorpher Materialien zu analysieren. Royall will dabei einem der großen Rätsel der kondensierten Materie nachgehen: Warum kann eine Flüssigkeit mit nur geringen strukturellen Veränderungen zu einem festen Glas werden? Er spürt den subtilen strukturellen Veränderungen in amorphen Materialien nach, die zu deren Verfestigung führen.

Von Kolloiden zu Fischen

Aus Prof. Royalls neuem Interessengebiet, den aktiven Materialien, rührt die Zusammenarbeit, die er nun im Rahmen des Bessel-Forschungsstipendiums mit Prof. Löwen aufnimmt. Das derzeit beginnende Kooperationsprojekt basiert auf ihrem gemeinsamen Interesse an Kolloiden und den vielseitigen Interaktionen, die auf aktive Kolloide – und als solche werden in diesem Forschungsprojekt auch Fische angenommen – angewendet werden können

In Düsseldorf wollen sie deshalb zusammen mit Dr. Alexandra Zampetaki das Schwimmverhalten von Zebrafischen untersuchen. Dazu bringt Royall Trajektoriendaten mit, die in einem Aquarium in Bristol gewonnen wurden. Mit diesen Daten wollen sie aufklären, wie sich das Verhalten weniger Fische von dem großer Schwärme unterscheidet.

Prof. Löwen zur grundlegenden Frage des Forschungsprojekts: „Es geht uns darum, Anhaltspunkte dafür zu finden, wann aus einer Ansammlung von Fischen ein Schwarm wird, oder: Ab wie vielen Fischen kann man von einem Schwarmverhalten sprechen? Hieraus wiederum hoffen wir, das Entscheidungsverhalten einzelner Fische im Schwarm aufzuklären.“

Zur Person

C. Patrick Royall (geb. 1974 in Truro im britischen Cornwall) studierte Physik an der Universität in Edinburgh (Bachelor 1996) und promovierte 2001 an der Universität Cambridge. Nach der Promotion arbeitete er zunächst bei der UBS-Warburg-Bank, bevor er 2002 auf eine Postdoc-Position an der Universität von Utrecht und anschließend von 2004 bis 2006 an die Universität von Tokio wechselte. Von 2007 bis 2015 arbeitete er im Rahmen eines achtjährigen „University Research Fellowship“ an verschiedene britischen Einrichtungen. 2018 berief ihn die Universität von Bristol zum Professor für Chemische Physik, 2021 wechselte er zur ESPCI Paris, als Forschungsdirektor am CNRS.

Prof. Royalls Forschungsgebiet sind teilchenaufgelöste Studien: Er nutzt kolloidale Teilchen, um anhand von ihnen Eigenschaften von atomaren und molekularen Materialien zu studieren. Er publizierte bisher über 110 wissenschaftliche Veröffentlichungen, unter anderem in renommierten Zeitschriften wie PNAS, Nature, Nature Communications und Nature Physics. Darüber hinaus hat er zusammen mit Prof. Löwen und weiteren das Buch „Complex Plasmas and Colloidal Dispersions: Particle-resolved studies of Classical Liquids and Solids“ geschrieben.

Für seine Forschungsarbeiten wurde Royall unter anderem mit einem ERC Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats und mit dem Friedrich Wilhelm Bessel-Forschungspreis der Alexander von Humboldt-Stiftung ausgezeichnet.

Friedrich Wilhelm Bessel-Forschungspreis der Alexander von Humboldt-Stiftung

Die Preisträgerinnen und Preisträger werden für ihre herausragenden Forschungsleistungen ausgezeichnet. Kandidatinnen und Kandidaten werden von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland nominiert. Der Preis zielt auf in ihrem Fachgebiet international anerkannte Forschende aus dem Ausland, deren Promotion vor nicht mehr als 18 Jahren abgeschlossen wurde. Von den Nominierten wird erwartet, dass sie zukünftig durch weitere wissenschaftliche Spitzenleistungen ihr Fachgebiet auch über das engere Arbeitsgebiet hinaus nachhaltig prägen werden.

Die Preisträgerinnen und Preisträger können mit dem Preis ein selbst gewähltes Forschungsvorhaben in Deutschland in Kooperation mit Fachkollegen für einen Zeitraum von bis zu einem Jahr durchführen. Der Preis ist mit 45.000 Euro dotiert. Die Humboldt-Stiftung verleiht jährlich rund 20 Friedrich Wilhelm Bessel-Forschungspreise.

Weitere Informationen auf den Seiten der Humboldt-Stiftung.

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Kategorie/n: Schlagzeilen, Pressemeldungen, Math.-Nat.-Fak.-Aktuell, Forschung News
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Zusammen mit Prof. Dr. Hartmut Löwen vom Institut der Theoretische Physik II will Royall das Schwarmverhalten von Zebrafischen untersuchen.

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