[論文レビュー] Dynamics and rheology of active glasses

T. F. F. Farage, J. M. Brader|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2014

Computer Graphics and Visualization Techniques参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、自己駆動性コロイド粒子の密集したアクティブなススペンションについて、第一原理的なモード結合理論を展開し、活性化がガラス転移をより高い体積分率へシフトさせ、非定常性パラメータと降着応力の両方を低下させることで機械的応答を緩和することを示した。理論は、活性化度が増加するにつれて降着応力が連続的に減少することを予測し、アクティブなガラスがガラス的性質を保ちつつ、パッシブなガラスよりも柔らかくなることを可能にする。

ABSTRACT

Within the framework of mode-coupling theory, we present a simple model for describing dense assemblies of active (self-propelled) spherical colloidal particles. For isotropic suspensions, we demonstrate that the glass transition is shifted to higher volume fraction by the addition of activity, in agreement with recent Brownian dynamics simulations. Activity-induced changes in the static structure factor of the fluid are predicted. The mechanical response of an active glass to applied strain is shown to be softer than the corresponding passive glass; both the nonergodicity parameter and the yield stress reduce with increasing activity.

研究の動機と目的

• 密なアクティブなススペンションにおけるマイクロスコピック理論の構築を目的とする。
• 粒子の活性化が流動-ガラス相転移境界および静的構造に与える影響を理解することを目的とする。
• 特に降着応力に注目し、せん断下におけるアクティブなガラスの機械的応答を記述することを目的とする。
• アクティブなガラスの力学的挙動と rheology（流動特性）を記述する、パrameter-free（パrameterフリー）な理論枠組みを提供することを目的とする。

提案手法

• 自己駆動および回転運動を有するアクティブな球状コロイドの時間局所的かつ過減衰状態のランジュバン方程式を導出する。
• N体確率分布を記述するためのフォッカー・プランク方程式を用い、取り扱いやすさを確保するためモード結合近似を適用する。
• せん断速度によって修正された記憶関数を有するスケーマティックモデルを導入し、流動特性を記述する。
• 一時的透過積分および一般化されたグリーン＝クーブ関係式を用いてせん断応力を計算する。
• ガラス的挙動を特徴付けるために、非定常性パラメータおよび密度相関関数を主な観測量として用いる。
• 回転拡散およびアクティブ駆動を、並進運動と回転運動を結合する動的作用素子を介して統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 活性化は、密なススペンションにおけるガラス転移の位置にどのように影響するか？
• RQ2 活性化は、アクティブな流体における静的構造因子および密度相関関数にどのように影響するか？
• RQ3 活性化は、せん断されたアクティブなガラスの降着応力にどのように影響するか？
• RQ4 第一原理的なモード結合理論は、閉じ込めと自己駆動の競合を記述できるか？

主な発見

• 活性化によりガラス転移がより高い体積分率へシフトすることが確認され、先行するシミュレーションと整合的である。
• 流体の静的構造因子は活性化によって変化し、粒子間相関が変化していることを反映している。
• 非定常性パラメータは活性化度が増加するにつれて低下し、粒子の閉じ込めが弱まっていることが示唆される。
• アクティブなガラスの降着応力は、自己駆動速度 $v_0$ が増加するにつれて顕著に低下する。
• $v_0 > v_0^*$ の領域では、相転移境界で降着応力が不連続的にゼロに下がり、緩和転移を示している。
• 降着応力と $v_0$ のスケーリングはマスターカーブに一致せず、単純な普遍的スケーリングがないことを示唆している。