[論文レビュー] Active Dipolar Colloids in Three Dimensions: Strings, Sheets, Labyrinthine Textures and Crystals

Nariaki Sakaï, C. Patrick Royall|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2020

Micro and Nano Robotics被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、交流電界下における三次元アクティブな双極子コロイドを実験的に調査し、予期せぬ対称性の破れが生じ、フラクチュエーティングな2次元シートへと進化し、その後動的でラビリンス状の相へと移行することを明らかにした。受動的系とは異なり、活性、空間的障害、双極子的力の競合が非単調なダイナミクスと結晶化に伴う加速を引き起こし、アクティブマターにおける従来の相挙動の予想をくつがえすものである。

ABSTRACT

Active matter exhibits striking behaviour reminiscent of living matter and molecular fluids, and has promising applications in drug delivery or mixing at the micron scale. Active colloidal systems provide important models with simple and controllable interactions amenable to theory and computer simulation. Experimental work is dominated by (quasi) two--dimensional (2d) systems at relatively low concentration, and rather less is known of the 3d case at concentrations pertinent to motility induced phase separation or to mimic morphogenesis. Here we investigate a 3d experimental system of active colloids in a dense suspension up to volume fractions of 0.5. The particles in our system are self-propelled in the lateral plane under an AC electric field. The field in addition induces an electric dipole, and the competition between activity and both steric and dipolar interactions gives rise to phase behaviour ranging from an active gas to a dynamic labyrinthine phase as well as dense tetragonal and hexagonal crystals. Intermediate volume fractions are characterised by two--dimensional sheets with large fluctuations reminiscent of active membranes. These active sheets break symmetry in a direction perpendicular to the applied field. Moreover, the relationship between electric field and the particle dynamics depends in a complex and unexpected manner upon the position in the state diagram.

研究の動機と目的

• 高体積分率（最大φ = 0.5）における3次元アクティブコロイド系の相挙動を調査すること。ここでは、運動性誘起相分離（MIPS）と双極子的相互作用が共存する。
• 特に2次元または受動的系とは対照的に、3次元においてアクティビティと双極子的相互作用がどのように競合するかを調査すること。
• 2次元系や受動的系では観察されない、新たな自己組織的構造（例えば、フラクチュエーティングな2次元シートや、ネットワークを形成するラビリンス状構造）を同定すること。
• 電界強度と体積分率に起因する粒子ダイナミクスの非自明な依存関係、特に結晶化に伴う反直感的な加速現象を検討すること。
• 生物学的形態形成やアクティブマテリアルに関連する、アクティブ膜様のフラクチュエーションと動的ネットワーク形成を研究するモデル系を確立すること。

提案手法

• 体積分率を制御した密度の高い準3次元系で、自己駆動するコロイド粒子の3次元系を共焦点顕微鏡で観察する。
• 交流電界を印加することで、粒子に横方向の自己駆動（アクティビティ）と、電界方向（z軸）に沿った永久双極子モーメントを誘導し、双極子的相互作用を可能にする。
• 電界強度と体積分率を変化させた条件下で、粒子のダイナミクスと構造的進化を時間的に測定し、状態図をマップする。
• 空間相関関数と動的不均一性指標を用いて、ストリング、シート、ラビリンス状ネットワークなどの構造モチーフを分析する。
• MIPSおよび受動的双極子系の理論的予測と比較し、アクティブ力に起因する偏差を同定する。
• 平均二乗変位（MSD）解析を通じて輸送ダイナミクスを定量し、サブディファジョン行動と非単調な電界依存性を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元における双極子的相互作用とアクティブ運動の相互作用が、2次元系や受動的系では観察されない新たな自己組織的構造をどのように生成するか？
• RQ2 3次元系に存在するにもかかわらず、なぜ電界方向に垂直な平面で対称性が破れ、フラクチュエーティングな2次元シートが形成されるのか？
• RQ3 なぜ系は非単調なダイナミクスを示すのか、特に密度が増加する結晶化においてなぜ粒子のダイナミクスが速くなるのか？
• RQ4 電界が、同時にアクティビティを増強するとともに双極子的結合を強化するにもかかわらず、異なる相において粒子ダイナミクスにどのように異なる影響を及ぼすのか？
• RQ5 ラビリンス相は、アクティブな再構成を伴う動的でパーコレーションネットワークとみなせるか？また、細胞骨格のアクティブマターと比べてどのように異なるか？

主な発見

• 電界方向に垂直な平面における対称性の破れにより、3次元的制約下にあっても中程度の体積分率で2次元のフラクチュエーティングなシートが形成される。
• 高体積分率において、これらのシートが連続的な破壊・再接続・粒子交換を伴い、動的でラビリンス状の相へと拡張する。
• ラビリンス相はサブディファジョン的ダイナミクスを示し、開口構造であり体積分率も低いにもかかわらず、四角晶相よりもより粘性が強い。
• 結晶化が進行することで、通常の密度の高い相では遅くなるという予想とは反対に、粒子のダイナミクスが加速する。
• 電界はラビリンス相ではダイナミクスを抑制するが、他の相では促進するため、状態図の異なる領域でアクティビティと双極子的結合の支配的関係が電界に依存して変化することが示された。
• 双極子的相互作用エネルギーは、すべての電界強度において支配的エネルギースケールのまま維持されるが、動的応答は電界強度に対して単調に依存せず、アクティビティと相互作用の複雑な結合を示している。