[論文レビュー] Active Matter

Gautam I. Menon|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2010

Micro and Nano Robotics参考文献 47被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、内部的または環境的エネルギーを運動および仕事に変換する自己駆動粒子からなる系としてのアクティブマターを紹介し、非平衡状態の相転移や大きな非ガウス型フラクチュエーションといった集団的挙動を引き起こす。このような系のモデリング原則を提示し、直接的な力および流体力学的摂動による相互作用に注目する。

ABSTRACT

The term active matter describes diverse systems, spanning macroscopic (e.g. shoals of fish and flocks of birds) to microscopic scales (e.g. migrating cells, motile bacteria and gels formed through the interaction of nanoscale molecular motors with cytoskeletal filaments within cells). Such systems are often idealizable in terms of collections of individual units, referred to as active particles or self-propelled particles, which take energy from an internal replenishable energy depot or ambient medium and transduce it into useful work performed on the environment, in addition to dissipating a fraction of this energy into heat. These individual units may interact both directly as well as through disturbances propagated via the medium in which they are immersed. Active particles can exhibit remarkable collective behaviour as a consequence of these interactions, including non-equilibrium phase transitions between novel dynamical phases, large fluctuations violating expectations from the central limit theorem and substantial robustness against the disordering effects of thermal fluctuations. In this chapter, following a brief summary of experimental systems which may be classified as examples of active matter, I describe some of the principles which underlie the modeling of such systems.

研究の動機と目的

• 鳥の群れから細菌懸濁液に至る多様な実験系を、アクティブマターの例として分類および分析すること。
• 持続的にエネルギーを消費して仕事を行うアクティブ粒子の挙動を支配する基本的原則を特定すること。
• 非平衡状態に近い系として動作するアクティブマター系の概念的およびモデリング枠組みを構築すること。
• アクティブ粒子同士の相互作用（直接的および周囲の媒体を介した間接的相互作用）が、どのように集団的現象を生じさせるかを説明すること。
• 熱的フラクチュエーションに対して頑健であり、平衡統計力学から逸脱するアクティブマター系の特徴を強調すること。

提案手法

• 内部的または周囲のエネルギー源からエネルギーを引き出す自己駆動粒子の集合としてアクティブマター系をモデリングすること。
• エネルギー変換プロセスを形式化し、エネルギーの一部を環境に対して仕事として用い、残りを熱として散逸することを明示すること。
• 直接的な粒子間相互作用および周囲の流体や媒体を介した間接的相互作用を組み込むこと。
• 非平衡統計力学を適用して集団的ダイナミクスを記述し、平衡系では観察されない相転移を含むこと。
• 流体の応力に起因する長距離相関およびフラクチュエーションを捉えるために流体力学的記述を用いること。
• 平衡挙動からの逸脱、特に中心極限定理に反する大きな非ガウス型フラクチュエーションを分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブマター系における自己駆動粒子は、非平衡状態にあっても集団的運動をどのように生成するのか？
• RQ2 アクティブマター系が熱的フラクチュエーションに対してどのようにして頑健性を示すのか？
• RQ3 流体力学的相互作用および直接的力は、どのように新しい力学的相の出現に寄与するのか？
• RQ4 アクティブ粒子はどのようにして平衡統計力学の仮定、特に中心極限定理を破るのか？
• RQ5 微視的および巨視的スケールの両方でアクティブマターの非平衡ダイナミクスを記述するための主要なモデリング原則は何か？

主な発見

• アクティブマター系は、平衡熱力学では記述されない非平衡相転移を示す。
• 持続的な活動性に起因し、大きな非ガウス型フラクチュエーションがアクティブマターで発生し、中心極限定理の予測を破る。
• アクティブ粒子は熱的ノイズが存在する中でも集団的秩序と整合性を維持し、不規則性に対して頑健であることを示す。
• 周囲の媒体（例えば流体の流れ）を介した相互作用が、アクティブ系における長距離相関を媒介する上で重要な役割を果たす。
• アクティブ粒子におけるエネルギー変換プロセスは、持続的な運動と仕事の生成をもたらし、受動的ブラウン運動粒子とは明確に区別される。
• アクティブマターのモデリングには、非保存的力およびアクティブ応力を含めた、平衡統計力学の拡張が必要である。