Forschung im Simply Complex Lab

Im Simply Complex Lab vereinen wir experimentelle, rechnergestützte und theoretische Ansätze, um eine der faszinierendsten Frontiers der Wissenschaft zu erforschen: getriebene, dissipative Systeme.

Diese Systeme arbeiten fernab des thermodynamischen Gleichgewichts, wo starke Nichtlinearität und Stochastizität reiches, emergentes Verhalten hervorbringen, von selbstorganisierter Musterbildung bis hin zu Anpassung und Evolution, wie sie in der Natur beobachtet werden.

Unsere Kernmission ist es, die zugrunde liegenden Prinzipien, die diese Phänomene bestimmen, aufzudecken und sie in technischen Systemen nachzuahmen. Auf diese Weise wollen wir neue Paradigmen für das Design, die Vorhersage und die Kontrolle von Komplexität schaffen – mit weitreichenden Auswirkungen auf Wissenschaft, Technologie und Gesellschaft.

Unsere Forschung umfasst eine breite Skala von Systemen: vom Quanten- bis zum Mikro- und Makromaßstab, von unbelebter bis zu lebender Materie, von statischen bis zu dynamischen Regimen und von deterministischen bis zu stochastischen Prozessen. Wir bemühen uns, die Grundlagenphysik mit realen Anwendungen durch eine interdisziplinäre Perspektive zu verbinden.

Im Folgenden können Sie eine Auswahl unserer laufenden und vergangenen Forschungsarbeiten erkunden, jeweils mit einem kurzen Überblick über Ziele, Methoden und breitere Wirkung.

Emergenz und Evolution von Komplexität

An komplexen Systemen mangelt es nicht, doch die meisten sind zu kompliziert für einen vollständigen First-Principles-Ansatz. Fortschritte im Verständnis ihres Verhaltens erfordern entscheidende, quantitative Experimente und sorgfältig entworfene Modellsysteme, die einfach genug sind, um handhabbar zu sein, und dennoch reich genug, um die Kernphänomene zu zeigen.

In unserem Labor haben wir ein solches Modellsystem entwickelt: eine kolloidale Suspension, die durch ultraschnelle Laserpulse getrieben wird, untersucht sowohl empirisch als auch rechnergestützt. Dieses System ist bemerkenswert in seiner Einfachheit: Es umfasst keine konstruierten Wechselwirkungen zwischen den Teilchen, keine Oberflächenfunktionalisierung und keine stimuli-responsiven Lösungsmittel. Dennoch bringt es eine außergewöhnliche Bandbreite emergenter Verhaltensweisen hervor.

Was dieses System einzigartig macht, ist seine extreme Kombination aus starker Stochastizität und großen Nichtlinearitäten. Die Teilchen bleiben stark brownsch, das heißt, Fluktuationen werden nicht unterdrückt. Nichtlinearitäten werden durch Mehrphotonenabsorption eingeführt, die gleichzeitig nichtlineare Ereignisse wie Marangoni-Strömungen, Stoßwellenbildung und Kavitationsblasen auslöst. Diese Ereignisse fügen zusätzliche Störungen in das System ein, darunter komplexe Strömungen und Druckgradienten.

Darüber hinaus blähen Vielteilchenwechselwirkungen unter Tausenden von Teilchen die nichtlineare Dynamik des Systems auf ein astronomisches Maß auf. Der Schlüssel zur Kontrolle dieses Chaos liegt in der Ausnutzung interner Rückkopplungsmechanismen, die Stochastizität und Nichtlinearitäten in strukturierte Verhaltensweisen einschließen. Wir haben diese Mechanismen mit nur einer Handvoll externer Steuerparameter (z. B. Laserleistung und Strahlposition) identifiziert und genutzt.

Dies hat es uns ermöglicht zu demonstrieren, zu quantifizieren und zu simulieren, wie sich reiche strukturelle und verhaltensbezogene Komplexität in einem System ohne konstruierte Wechselwirkungen herausbilden, anpassen und entwickeln kann – unter Bedingungen, die jenen ähneln, unter denen komplexe Systeme in der Natur entstehen.

Arbeiten aus der Vergangenheit: Dieses Modellsystem ermöglichte uns, bedeutende Beiträge für unsere unmittelbare Gemeinschaft und angrenzende Felder zu leisten, indem wir die Emergenz und Aufrechterhaltung reichen, lebensähnlichen Verhaltens nachwiesen (Nat. Commun. 2017) und einen Existenzbeweis universeller Skalierung über Systeme und Längenskalen hinweg lieferten (Nat. Phys. 2020).

Im ersteren Fall berichteten wir über die ersten dynamisch adaptiven kolloidalen Kristalle einer Vielzahl von Mustern, die fernab vom Gleichgewicht entstanden und erhalten wurden. Diese Kristalle waren autokatalytisch und zeigten eine reiche Palette adaptiver Verhaltensweisen, die gewöhnlich mit lebenden Organismen assoziiert werden: Selbstregulation, Selbstheilung, Selbstreplikation, Koexistenz, Konkurrenz und Motilität. Frühere Studien zur kolloidalen Selbstorganisation stützten sich stark auf funktionalisierte Kolloide (z. B. Janus-Partikel) und übliche Wechselwirkungsmechanismen wie optisches Trapping, Tweezing sowie chemische oder magnetische Wechselwirkungen, die eine direkte Kontrolle über viele Freiheitsgrade erforderten. Fluktuationen wurden vorzugsweise unterdrückt, da sie zusätzliche Freiheitsgrade einführen. Diese Anforderungen beschränkten den Konfigurationsraum und ließen wenig Raum für die Emergenz von Komplexität. Im Gegensatz dazu verwendeten wir einfache, passive, identische kolloidale Teilchen mit unspezifischen Wechselwirkungen. Der überwiegende Teil der Freiheitsgrade wurde durch die internen Rückkopplungsmechanismen nichtlinear gebunden, die nur über Laserleistung und Strahlposition gesteuert werden konnten. Da die Fluktuationen Teil der Rückkopplung sind, konnten wir unter stark stochastischen Bedingungen arbeiten, was es dem System ermöglichte, einen hinreichend großen Teil seines Phasenraums zu erkunden und eine Fülle komplexer Musterbildung und adaptiver Verhaltensweisen zu zeigen.

Die Erkenntnis, dass einfache physikalische Mechanismen für die beobachtete Komplexität in diesem einzigartigen experimentellen System ausreichen, deutete darauf hin, dass der Selbstorganisationsmechanismus unabhängig von den chemischen, morphologischen und anderen spezifischen Details der Teilchen sein sollte. Um dies zu überprüfen, verwendeten wir einfache, identische Teilchen, wie etwa ~3 nm große CdTe-Quantenpunkte (in Wasser und anderen Chemikalien) und 500 nm große reine Polystyrolsphären (in Wasser), sowie komplexe, aktive, nicht identische lebende Organismen mit hochentwickelter interner Dynamik, wie ~0,7-µm weiche Sphären von Micrococcus luteus und ~1 µm × 2 µm stäbchenförmige Escherichia coli-Bakterienzellen, ~5-µm elliptische Saccharomyces cerevisiae-Hefezellen und ~15-µm MCF10A normale menschliche Brustdrüsenzellen (jeweils in ihrem spezifischen Nährmedium). Wir zeigten, dass die Emergenz und das Wachstum dissipativer Aggregate einer großen Vielfalt an Bestandteilen dieselbe skalenfreie autokatalytische Aggregationsdynamik aufwiesen. Wir zeigten außerdem, dass die Grenzfluktuationen der wachsenden Aggregate der Tracy-Widom-Statistik folgten (Nat. Phys. 2020). Universelle Skalierung makroskopischer Observablen war für Systeme im oder nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht bekannt. Ob jedoch Systeme fernab vom Gleichgewicht eine solche universelle Skalierung zeigen könnten, war bis zu unserer Arbeit unklar.

Diese Ergebnisse wurden in populärwissenschaftlichen Büchern, Nachrichtenmedien und von Fachzeitschriften hervorgehoben und erreichten ein breites interdisziplinäres Publikum.

Arbeiten, die als Preprints erscheinen werden: In den letzten Jahren haben wir an diesen Erkenntnissen angeknüpft und gezeigt, dass das System einen riesigen Konfigurationsraum aufweist, von einfacheren Bravais-Gittern bis hin zu Supergittern mit periodischen und aperiodischen Symmetrien. Wir identifizierten die Dynamiken, die zu diesem strukturellen Reichtum führen, und quantifizierten die Schlüsselparameter.

Aktueller Fokus:

• Dr. Sayın wird unsere Forschung zur Aufdeckung des dynamischen Verhaltens und adaptiver Strategien leiten, die zu Konkurrenz und Koexistenz führen.
• Dr. Yavuz plant die Entwicklung eines KI-gesteuerten, fortschrittlichen Mikroskopiesystems, das die Experimente vom Probenpräparat bis zur Durchführung im natürlichen Zeitskalenbereich des Systems (Mikrosekunden) automatisiert und Echtzeitanalysen durchführt, die den nächsten Schritt informieren. KI wird die Experimente kontrollieren, ausführen und analysieren – Größenordnungen schneller als ein menschlicher Operator. Auf diese Weise hoffen wir, tiefere Einblicke in die stochastische Dynamik und die Rückkopplungsmechanismen dieses Systems zu gewinnen.
• Dr. Spelthann initiierte eine Zusammenarbeit mit dem Elbuken Lab der Universität Oulu, Finnland, um mithilfe mikrofluidischer Chips reale Anwendungen dieses Systems zu ermöglichen.