[論文レビュー] Clogging and Jamming of Colloidal Monolayers Driven Across a Disordered Landscape

R. Stoop, Pietro Tierno|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2017

Diatoms and Algae Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、固定された障害物で構成されるクエンチド不規則なランドスケープを通過するパラ磁性コロイドの1層膜におけるつまりとジャミングを実験的に調査している。調整可能な磁気双極子相互作用を用いて、異方的吸引がつまりを軽減し、流れを向上させることを実証した。一方、クエンチド不規則性は「速いほうが遅い」効果を強く増幅し、マイクロスケール輸送ダイナミクスにおいて不規則性と粒子間相互作用が果たす重要な役割を明らかにした。

ABSTRACT

We experimentally investigate the clogging and jamming of interacting paramagnetic colloids driven through a quenched disordered landscape of fixed obstacles. When the particles are forced to cross a single aperture between two obstacles, we find an intermittent dynamics characterized by an exponential distribution of burst size. At the collective level, we observe that quenched disorder decreases the particle ow, but it also greatly enhances the "faster is slower" effect, that occurs when increasing the particle speed. Further, we show that clogging events may be controlled by tuning the pair interactions between the particles during transport, such that the colloidal ow decreases for repulsive interactions, but increases for anisotropic attraction. We provide an experimental test-bed to investigate the crucial role of disorder on clogging and jamming in driven microscale matter.

研究の動機と目的

• クエンチド不規則性が、駆動されるマイクロスケール系におけるつまりとジャミングに与える影響を理解すること。
• コロイド粒子間の調整可能な対相互作用が、集団的輸送およびつまりダイナミクスを制御する役割を調査すること。
• 制御された不規則性と相互作用の調整を有する系において、「速いほうが遅い」（FIS）効果を実験的に検証すること。
• ピン留めされた不規則系におけるつまりとジャミングの関係を、モデルコロイド系を用いて探求すること。

提案手法

• 2.8 µmのパラ磁性コロイドを、回転磁場を用いて周期的な磁気ストライプパターンを持つ一軸フェリットガーネット膜（FGF）を通過させる。
• 5 µmのシリカ粒子をFGFに不可逆的に付着させることで、空間的に相関のない障害物ランドスケープを生成し、クエンチド不規則性を導入する。
• 平面内磁場強度 $H_x$ の調整により、粒子間の有効な双極子相互作用をイン・サイトで制御し、反発的または異方的吸引的相互作用を可能にする。
• 相互作用ポテンシャルは $U_d = \alpha[H_x^2(1+3\cos 2\vartheta) - 2H_z^2]/r^3$ でモデル化され、$\alpha$ は粒子の感受率およびFGFのパラメータに依存する。
• 粒子の軌道と速度はビデオ顕微鏡法で追跡され、平均速度 $\langle v_x \rangle$ は駆動周波数と $H_x$ の関数として測定される。
• つまりのダイナミクスは、バーストサイズ分布と速度フラクチュエーションを通じて分析され、間欠的流れと集団的挙動に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不規則なランドスケープにおけるクエンチド不規則性が、駆動されるコロイド1層膜の集団的輸送およびつまりにどのように影響を与えるか？
• RQ2 クエンチド不規則性が存在する中で、「速いほうが遅い」（FIS）効果がどの程度顕在化し、強化されるか？
• RQ3 調整可能な双極子相互作用、特に異方的吸引が、この系におけるつまりと流れの効率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 不規則環境において、粒子ブリッジやつまりの形成を、粒子間相互作用の工学的設計によって制御できるか？

主な発見

• 障害物面積率がたった8%（$\Phi_o = 0.08$）であるだけでも、駆動周波数を6.3から50.3 rad/sに増加させると、粒子の速度が最大45%まで低下し、「速いほうが遅い」効果が不規則性によって強く増幅されることを示した。
• $H_x = 1.8H_z$ における異方的双極子相互作用は、柔軟で細長い列状構造を形成させ、障害物を滑らかに通過させる。これにより、通常の速度フラクチュエーション（$\delta v_y = 1.15\ \mu\text{m/s}^{-1}$）が増加し、反発的相互作用よりも流れが向上した。
• 反発的相互作用（$H_x = 0.4H_z$）では、粒子間隔が大きくなるため、流れの効率が低下し、有効なパッケージング係数 $\Phi_m$ が大きくなるため、平均速度が低下した。
• 間欠的流れでは、バーストサイズ分布が指数関数的であることが判明し、つまりの遷移付近で臨界的挙動に類似した振る舞いを示した。
• 磁気双極子相互作用は強力（$U_d \sim 2-95\ k_B T$）であり、熱的および静電的効果を上回り、粒子間相互作用の効果的なイン・サイト調整を可能にした。
• 実験的セットアップは、不規則かつ駆動される系におけるつまりとジャミング遷移を研究する制御可能な実験台を提供し、マイクロフラウドイクスおよびアクティブマター分野において直接的な関連性を持つ。