Timm Krüger

Timm Krüger
The University of Edinburgh | UoE · School of Engineering

PhD

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Citations
Additional affiliations
October 2018 - present
The University of Edinburgh
Position
  • Lecturer
October 2013 - September 2018
The University of Edinburgh
Position
  • Fellow
September 2012 - September 2013
University College London
Position
  • PostDoc Position
Education
October 2003 - December 2007
Universität Heidelberg
Field of study
  • Physics
October 2001 - September 2003
Bielefeld University
Field of study
  • Physics

Publications

Publications (176)
Book
This book is an introduction to the theory, practice, and implementation of the Lattice Boltzmann (LB) method, a powerful computational fluid dynamics method that is steadily gaining attention due to its simplicity, scalability, extensibility, and simple handling of complex geometries. The book contains chapters on the method's background, fundamen...
Article
Full-text available
The fabrication of novel soft materials is an important scientific and technological challenge. We investigate the response of magnetic ellipsoidal particles adsorbed at fluid-fluid interfaces to external magnetic fields. By exploiting previously discovered first-order orientation phase transitions we show how to switch on and off dipolar capillary...
Article
Full-text available
The interplay of inertia and deformability has a substantial impact on the transport of soft particles suspended in a fluid. However, to date a thorough understanding of these systems is still missing and only a limited number of experimental and theoretical studies is available. We combine the finite-element, immersed-boundary and lattice-Boltzman...
Article
Full-text available
I investigate the effect of tube diameter D and red blood cell capillary number C a (i.e. the ratio of viscous to elastic forces) on platelet margination in blood flow at ≈37 % tube haematocrit. The system is modelled as three-dimensional suspension of deformable red blood cells and nearly rigid platelets using a combination of the lattice-Boltzman...
Article
The deformation of an initially spherical capsule, freely suspended in simple shear flow, can be computed analytically in the limit of small deformations [D. Barthés-Biesel, J.M. Rallison, The time-dependent deformation of a capsule freely suspended in a linear shear flow, J. Fluid Mech. 113 (1981) 251–267]. Those analytic approximations are used t...
Preprint
The dynamics of blood flow in the smallest vessels and passages of the human body, where the cellular character of blood becomes prominent, plays a dominant role in the transport and exchange of solutes. Recent studies have revealed that the micro-haemodynamics of a vascular network is underpinned by its interconnected structure, and certain struct...
Article
Full-text available
We investigate the formation and stability of a pair of identical soft capsules in channel flow under mild inertia. We employ a combination of the lattice Boltzmann, finite element and immersed boundary methods to simulate the elastic particles in flow. Validation tests show excellent agreement with numerical results obtained by other research grou...
Preprint
Rosetting, the formation of red blood cell aggregates, is a life-threatening condition in Malaria tropica and not yet fully understood. We study rosette stability using a set of microfluidic stenotic channels, with varied narrowing angle and erythrocytes of blood groups 0 and A. We find reduced ability of a rosette to pass a stenosis without disrup...
Article
The placenta is a vital interface between the mother and her developing fetus. Micro-haemodynamics of the placenta, where the particulate nature of blood flow cannot be ignored, mediates the relationship between the organ’s structure and its function. However, the placenta’s complex architecture and its relation to pregnancy pathologies remain poor...
Article
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The phase shift between pressure and wall shear stress (WSS) has been associated with vascular diseases such as atherosclerosis and aneurysms. The present study aims to understand the effects of geometry and flow properties on the phase shift under the stiff wall assumption, using an immersed-boundary-lattice-Boltzmann method. For pulsatile flow in...
Preprint
Full-text available
We investigate the formation and stability of a pair of identical soft capsules in channel flow under mild inertia. We employ a combination of the lattice Boltzmann, finite element and immersed boundary methods to simulate the elastic particles in flow. Validation tests show excellent agreement with numerical results obtained by other research grou...
Article
The tumor microenvironment is abnormal and associated with tumor tissue hypoxia, immunosuppression, and poor response to treatment. One important abnormality present in tumors is vessel compression. Vessel decompression has been shown to increase survival rates in animal models via enhanced and more homogeneous oxygenation. However, our knowledge o...
Article
Full-text available
Sprouting angiogenesis is an essential vascularization mechanism consisting of sprouting and remodelling. The remodelling phase is driven by rearrangements of endothelial cells (ECs) within the post-sprouting vascular plexus. Prior work has uncovered how ECs polarize and migrate in response to flow-induced wall shear stress (WSS). However, the ques...
Article
Host immune response plays a critical role in disease manifestation and severity. In article number 2006123, Win Sen Kuan, Jongyoon Han, and co‐workers present a whole blood biophysical immune response profiling tool using deterministic lateral displacement microfluidics. The speed and accuracy of immune response stratification demonstrated in an e...
Article
Disease manifestation and severity from acute infections are often due to hyper-aggressive host immune responses which change within minutes. Current methods for early diagnosis of infections focus on detecting low abundance pathogens, which are time-consuming, of low sensitivity, and do not reflect the severity of the pathophysiology appropriately...
Article
Full-text available
We present a thermodynamically consistent model of a ternary fluid interacting with elastic membranes. Following a free-energy modeling approach for the fluid phases, we derive the governing equations for the dynamics of the ternary fluid flow and membranes. We also provide the numerical framework for simulating such fluid-structure interaction pro...
Article
Full-text available
Blood is a vital soft matter, and its normal circulation in the human body relies on the distribution of red blood cells (RBCs) at successive bifurcations. Understanding how RBCs are partitioned at bifurcations is key for the optimisation of microfluidic devices as well as for devising novel strategies for diagnosis and treatment of blood-related d...
Preprint
Full-text available
The tumour microenvironment is abnormal and associated with tumour tissue hypoxia, immunosuppression, and poor response to treatment. One important abnormality present in tumours is vessel compression. Vessel decompression has been shown to increase survival rates in animal models via enhanced and more homogeneous oxygenation. However, our knowledg...
Article
Full-text available
Oxygen heterogeneity in solid tumors is recognized as a limiting factor for therapeutic efficacy. This heterogeneity arises from the abnormal vascular structure of the tumor, but the precise mechanisms linking abnormal structure and compromised oxygen transport are only partially understood. In this paper, we investigate the role that red blood cel...
Article
The advent of microfluidics in the 1990s promised a revolution in multiple industries from healthcare to chemical processing. Deterministic lateral displacement (DLD) is a continuous-flow micro- fluidic particle separation method discovered in 2004 that has been applied successfully and widely to the separation of blood cells, yeast, spores, bacter...
Article
Spiral microchannels have shown promising results for separation applications. Hydrodynamic particle–particle interactions are a known factor strongly influencing focusing behaviors in inertial devices, with recent work highlighting how the performance of bidisperse mixtures is altered when compared with pure components in square channels. This phe...
Preprint
Full-text available
Sprouting angiogenesis is an essential vascularisation mechanism consisting of sprouting and remodelling. The remodelling phase is driven by rearrangements of endothelial cells (ECs) within the post-sprouting vascular plexus. Prior work has uncovered how ECs polarise and migrate in response to flow-induced wall shear stress (WSS). However, the ques...
Article
Microfluidic technologies are commonly used for the manipulation of red blood cell (RBC) suspensions and analyses of flow-mediated biomechanics. To enhance the performance of microfluidic devices, understanding the dynamics of the suspensions processed within is crucial. We report novel aspects of the spatio-temporal dynamics of RBC suspensions flo...
Article
Full-text available
Deterministic lateral displacement (DLD) is a microfluidic method of separating particles by size. DLD relies on precise flow patterns to deliver high-resolution particle separation. These patterns determine which particles are displaced laterally, and which follow the flow direction. Prior research has demonstrated that the lateral array boundarie...
Article
Among all existing microfluidic systems, inertial microfluidics has experienced massive growth in many applications such as fractionation of blood cells, isolation of bacteria, and enrichment of cancer cells with some commercially successful products. Despite the immense interest in these devices, their design is based on phenomenological rules tha...
Article
Full-text available
Blood flow in an artery is a fluid-structure interaction problem. It is widely accepted that aneurysm formation, enlargement and failure are associated with wall shear stress (WSS) which is exerted by flowing blood on the aneurysmal wall. To date, the combined effect of aneurysm size and wall elasticity on intra-aneurysm (IA) flow characteristics,...
Article
Full-text available
Soft particles at fluid interfaces play an important role in many aspects of our daily life, such as the food industry, paints and coatings, and medical applications. Analytical methods are not capable of describing the emergent effects of the complex dynamics of suspensions of many soft particles, whereas experiments typically either only capture...
Preprint
Full-text available
Microfluidic technologies are commonly used for the manipulation of red blood cell (RBC) suspensions and analyses of flow-mediated biomechanics. To maximise the usability of microfluidic devices, understanding the dynamics of the suspensions processed within is crucial. We report novel aspects of the spatio-temporal dynamics of an RBC suspension fl...
Preprint
Full-text available
Blood flow in an artery is a fluid-structure interaction problem. It is widely accepted that aneurysm formation, enlargement and failure are associated with wall shear stress (WSS) which is exerted by flowing blood on the aneurysmal wall. To date, most of the computational studies of this problem assume rigid walls. In particular, in the case of si...
Preprint
Full-text available
We present a thermodynamically consistent model of a ternary fluid interacting with elastic membranes. Following a free-energy modelling approach and taking into account the thermodynamics laws, we derive the equations governing the ternary fluid flow and dynamics of the membranes. We also provide the numerical framework for simulating such fluid-s...
Preprint
Full-text available
Oxygen heterogeneity in solid tumours is recognised as a limiting factor for therapeutic efficacy. This heterogeneity arises from the abnormal vascular structure of the tumour, but the precise mechanisms linking abnormal structure and compromised oxygen transport are only partially understood. In this paper, we investigate the role that RBC transpo...
Preprint
Full-text available
Soft particles at fluid interfaces play an important role in many aspects of our daily life, such as the food industry, paints and coatings, and medical applications. Analytical methods are not capable of describing the emergent effects of the complex dynamics of suspensions of many soft particles, whereas experiments typically either only capture...
Chapter
Es war eine entscheidende intellektuelle Leistung der Physiker und Mathematiker des 19. Jahrhunderts, die elektrischen und magnetischen Phänomene in einer gemeinsamen Theorie, der Elektrodynamik, zu vereinigen und dabei dem Begriff von physikalischen Feldern zu einem Durchbruch zu verhelfen. Im Folgenden werden wir diese Vereinigung aber vorerst wi...
Chapter
Obwohl bei elektrischen Strömen elektrische Ladungsträger in Bewegung sind, ergeben sich oft stationäre Situationen, bei denen die Phänomene des Magnetismus mit zeitunabhängigen Feldgleichungen beschrieben werden können. Dabei ist es natürlich wichtig, dass nicht die Bewegung der einzelnen Elementarladungen verfolgt wird, sondern Ströme durch Versc...
Chapter
Die Elektrodynamik, die fundamentale Theorie, die elektrische und magnetische Felder miteinander untrennbar verknüpft, ist mit ihren vielfältigen Anwendungen aus unserer Zivilisation heutzutage nicht mehr wegzudenken. Bis zum Anfang des 19. Jahrhunderts kannte die Physik aber nur eine qualitative Phänomenologie von nicht miteinander in Beziehung ge...
Chapter
Nach der Betrachtung der Grundgleichungen der Elektrodynamik und elektrostatischer Probleme in Kap. 1 und 2 werden wir nun einige mathematische Methoden kennenlernen, die nicht nur für die Elektrodynamik, sondern auch für viele andere Gebiete der theoretischen Physik große Bedeutung haben.
Chapter
Das Licht der Sterne erreicht uns aus großen Entfernungen durch das Vakuum des Weltalls; sehr lange war aber nicht klar, was Licht überhaupt ist und wie es sich durch das Vakuum ausbreiten kann. Maxwell äußerte bereits kurz nach Aufstellen seiner Gleichungen die Vermutung, dass es „elektromagnetische Wellen“ gäbe und Licht eine solche sei. Im Jahre...
Chapter
Ende des 19. Jahrhunderts begann Heinrich Hertz (1857–1894), kurz zuvor zum Professor für Experimentalphysik am Polytechnikum in Karlsruhe berufen, mit elektromagnetischen Schwingungen in Spulen zu experimentieren. Es war bereits bekannt, dass es bei Spulen, die an einer Stelle unterbrochen sind, an dieser Stelle zu Funkenüberschlägen kommen kann.
Chapter
Bd. 4, der sich mit Thermodynamik befasst, gleicht viel mehr einer Wendeltreppe als einem geradlinigen Fortschreiten. Die Axiome der Thermodynamik wurden bereits in Kap. 1 eingeführt und als Abstraktionen physikalischer Erfahrung begründet. Weitere Axiome sind seitdem nicht dazugekommen, stattdessen haben wir sie vertieft: In Kap. 2 durch die stati...
Chapter
In diesem Kapitel erweitern wir die bisherigen Überlegungen auf quantale Systeme. In Abschn. 5.1 und 5.2 zeigen wir, dass die grundlegenden Konzepte der bisher anhand klassischer Systeme entwickelten Thermodynamik und der statistischen Physik direkt auf quantale Systeme übertragbar sind, wenn folgende Ersetzungen vorgenommen werden: An die Stelle d...
Chapter
Die Optik beschäftigt sich speziell mit der Ausbreitung von Licht (die meisten ihrer Ergebnisse sind aber auch auf andere elektromagnetische Wellen übertragbar). In vielen Fällen genügt es dabei, davon auszugehen, dass Licht sich in Strahlen ausbreitet; der Wellencharakter des Lichtes kann vernachlässigt werden.
Chapter
Wir beginnen nun gewissermaßen von Neuem. In Kap. 1 haben wir uns auf die phänomenologische Thermodynamik beschränkt, die bewusst auf jede Kenntnis der sehr vielen mikroskopischen Zustände verzichtet, aus denen ein makroskopischer Zustand zusammengesetzt sein mag. Dieser Zugang kam historisch zuerst, weil er beschritten werden konnte, lange bevor s...
Chapter
Die Maxwell-Gleichungen, wie wir sie bis jetzt diskutiert haben, sind fundamentale, auf mikroskopischem Niveau gültige Grundgleichungen. Sobald man es mit makroskopischen Körpern zu tun hat, sind die tatsächlichen auf atomarer oder molekularer Ebene vorliegenden Ladungsverteilungen natürlich viel zu komplex, als dass man direkt mit ihnen Berechnung...
Chapter
Schon vor der Formulierung der speziellen Relativitätstheorie durch Einstein hatten Lorentz und Poincaré das Transformationsverhalten elektromagnetischer Felder unter einem Wechsel des Inertialsystems herausgefunden und waren dabei auf die Effekte der Lorentz-Kontraktion und sogar der Zeitdilatation gestoßen. Einsteins spezielle Relativitätstheorie...
Chapter
In der Mechanik (Bd. 1, Kap. 5 und 7) wurden zwei relativ abstrakte, aber auch sehr allgemeine Formalismen hergeleitet, mittels derer die Bewegungsgleichungen für ein gegebenes mechanisches System bestimmt werden können: der Lagrange- und der Hamilton-Formalismus. Diese sollen nun auch auf die Elektrodynamik erweitert werden.
Chapter
Dieses Kapitel führt die wesentlichen Konzepte der Thermodynamik und ihre Axiome auf eine Weise ein, die keinen Bezug zur mikroskopischen Natur der Materie nimmt. Es folgt damit in Abschn. 1.1 zum einen der historischen Entwicklung, welche die Thermodynamik ausgehend von den Begriffen „warm“ und „kalt“ über das Bedürfnis, Wärmekraftmaschinen zu ver...
Chapter
In Kap. 1 wurde die Thermodynamik zunächst phänomenologisch begründet, d. h. aufgrund solcher Beobachtungen, die mit den Erfahrungen von Temperatur und Wärme verbunden sind. Wir haben dabei die Temperatur als Zustandsgröße eingeführt, den ersten Hauptsatz formuliert und haben nachvollzogen, wie man ausgehend von der grundlegenden Erfahrung irrevers...
Chapter
Bisher wurden fast nur exakt lösbare Systeme besprochen; allerdings wurde auch schon mehrfach darauf hingewiesen, dass viele Probleme nur näherungsweise lösbar sind. In der Quantenmechanik werden daher diverse Näherungsverfahren verwendet; das wichtigste, die Störungstheorie, soll in diesem Kapitel besprochen werden. Weitere Verfahren werden in Kap...
Chapter
In Kap. 8 wurde das nichtrelativistische Wasserstoffatom ausführlich behandelt. Nach Abspaltung der Schwerpunktsbewegung vereinfacht es sich auf ein exakt lösbares Einkörperproblem. Berücksichtigt man allerdings die relativistische Spin-Bahn-Kopplung oder wird ein äußeres Feld angelegt, so können die Energieniveaus und Eigenfunktionen des Wassersto...
Chapter
Symmetrien – man spricht von Raumzeitsymmetrien, wenn auch die Raumzeitkoordinaten transformiert werden, und sonst von inneren Symmetrien – spielen in der Physik eine herausragende Rolle. Beispiele von Raumzeitsymmetrien sind Spiegelungen, Translationen oder Drehungen im Raum. Innere Symmetrien sind z. B. die Ladungsumkehr oder die verallgemeinerte...
Chapter
Streuexperimente sind ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung von physikalischen Objekten, z. B. Festkörpern, Molekülen, Atomen, Atomkernen und Elementarteilchen. Man kann die Streuung von Teilchen oder von Strahlung an Objekten benutzen, um die Struktur dieser Objekte zu untersuchen und besser zu verstehen. Die Berechnung und Analyse solcher Streu...
Chapter
Wasserstoffähnliche Ionen sind Atome, die so weit ionisiert sind, dass sie nur noch ein einzelnes Elektron besitzen. Das klassische Einelektronsystem ist der Wasserstoff selbst. Hier ist das Elektron über die Coulomb-Wechselwirkung an ein Proton gebunden. Die beiden Wasserstoffisotope Deuterium \({}^{2}_{1}\)H oder Tritium \({}^{3}_{1}\)H sind weit...
Chapter
Ein Verständnis der modernen Naturwissenschaften ist ohne Kenntnis der Quantenmechanik, deren Grundgleichungen das Verhalten mikroskopischer Objekte beschreibt, unmöglich. Ohne Quantenmechanik gäbe es kein Verständnis der Eigenschaften von Molekülen, Atomen, Atomkernen und Elementarteilchen oder von Halbleitern und Lasern. Ohne Quantenmechanik könn...
Chapter
In der Quantentheorie gibt es keine klare Trennung zwischen System und Messapparatur, und die zeitliche Entwicklung eines Quantensystems ist nicht mehr deterministisch, sobald es in Wechselwirkung mit der Umgebung tritt. Nur ein abgeschlossenes und von allen äußeren Einflüssen isoliertes System verändert sich in exakt vorhersagbarer Weise. In diese...
Chapter
In Kap. 2 wurde bereits kurz angesprochen, wie elektromagnetische Felder in der Quantenmechanik zu berücksichtigen sind. In diesem Kapitel werden wir darauf nun genauer eingehen und sowohl allgemeine Prinzipien als auch spezielle Beispiele dazu diskutieren; insbesondere werden wir in Abschn. 9.1 zunächst die Bedeutung der Potenziale untersuchen, di...
Chapter
In diesem Kapitel untersuchen wir Lösungen der stationären Schrödinger-Gleichung für eindimensionale Systeme. Metallische Nanodrähte sind in guter Näherung ein Beispiel hierfür. Oft können auch dreidimensionale Systeme mit Symmetrien anhand von Symmetrieüberlegungen auf eindimensionale Systeme reduziert werden. Ein bekanntes Beispiel ist die Schröd...
Chapter
Verglichen mit der klassischen Physik betritt man in der Quantenmechanik begrifflich ein Neuland. Aufgrund des Welle-Teilchen-Dualismus ist es in der Quantenmechanik z. B. unmöglich, einem Teilchen gleichzeitig einen festen Ort und einen festen Impuls zuzuordnen. Wir können nur noch Wahrscheinlichkeitsverteilungen für Ort und Impuls angeben.
Chapter
In der Quantentheorie gilt das Superpositionsprinzip exakt für abgeschlossene Systeme. Das bedeutet erstens, dass sich beliebige Zustände – in der Wellenmechanik dargestellt durch Wellenfunktionen – zu einer bestimmten Zeit mit beliebigen komplexen Koeffizienten superponieren lassen und dadurch einen neuen möglichen Zustand definieren, und zweitens...
Chapter
Wegen ihres beispiellosen und überwältigenden empirischen Erfolgs ist die Quantenmechanik eine der am besten gesicherten physikalischen Theorien überhaupt. Gleichzeitig wirft sie aber viele tiefgründige konzeptionelle Probleme auf. Die Frage, wie sie zu interpretieren sei, wird seit Beginn kontrovers diskutiert – es gibt bis heute keine universell...