[論文レビュー] Effective single component description of steady state structures of passive particles in an active bath

Jay Prakash Singh, Sudipta Pattanayak+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2022

Micro and Nano Robotics参考文献 84被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、活性ブラウン運動粒子（ABP）が及える力を平均化することで、2次元の活性バストに存在する受動的粒子の有効な1成分記述を導出することにより、受動的粒子間の有効な相互作用ポテンシャルを提案する。有効な相互作用は、活性度およびサイズ比が増加するに従い、反発的から引力的へと変化し、4つの異なる定常状態構造—無秩序（D）、無秩序クラスタ（DC）、秩序クラスタ（OC）、多結晶（PC）—を駆動する。これらの構造は、完全な微視的シミュレーションおよび有効ポテンシャルモデルによって確認された。

ABSTRACT

We model a binary mixture of passive and active Brownian particles in two dimensions using the effective interaction between passive particles in the active bath. The activity of active particles and the size ratio of two types of particles are two control parameters in the system. The effective interaction is calculated from the average force on two particles generated by the active particles. The effective interaction can be attractive or repulsive, depending on the system parameters. The passive particles form four distinct structural orders for different system parameters viz; disorder (D), disordered cluster (DC), ordered cluster (OC), and poly-crystalline order (P C). The change in structure is dictated by the change in nature of the effective interaction. We further confirm the four structures using full microscopic simulation of active and passive mixture. Our study is useful to understand the different collective behaviour in non-equilibrium systems.

研究の動機と目的

• 非平衡な活性バストにおける受動的粒子の有効な1成分記述を構築し、活性度の自由度を統合する。
• 活性度およびサイズ比が定常状態における受動的粒子の集団的構造にどのように影響するかを理解する。
• 有効な相互作用モデルの妥当性を、活性-受動的混合系の完全な微視的シミュレーションと照合することで検証する。
• 調整可能な有効力によって駆動される非平衡構造相—無秩序、無秩序クラスタ、秩序クラスタ、多結晶—の出現を探索する。

提案手法

• 周期的境界条件を用いた2次元のバイナリー混合系（受動的粒子半径 rp、活性ブラウン運動粒子（ABP）半径 ra）をモデル化する。
• サイズ比 S = rp/ra と次元なし活性度 V̄ = v/(raνr) を定義する。νr を固定し、v を変化させることで活性度を調整する。
• 多数の定常状態配置において、分離ベクトルに沿ったABP由来の力の成分を平均化することで、2つの固定された受動的粒子間の有効力を計算する。
• 平均化された力から有効ポテンシャル V_eff(r) を導出し、非平衡定常状態における溶媒媒介相互作用を表現する。
• V_eff(r) を用いて受動的系のブラウン運動シミュレーションを実行し、ABPの動的記述を明示的に含めないで構造相を予測する。
• パラメータ空間全域において、予測結果を活性-受動的混合系の完全な微視的シミュレーションと照合することで、予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 活性バストにおける受動的粒子間の有効相互作用は、ABPの活性度およびサイズ比 S にどのように依存するか？
• RQ2 有効ポテンシャルの影響下で、受動的粒子系にどのような構造相が出現し、それらは系のパラメータにどのように依存するか？
• RQ3 有効な1成分記述は、活性-受動的混合系の完全な微視的シミュレーションで観測された定常状態構造を正確に予測できるか？
• RQ4 有効な相互作用（引力的か反発的か）の性質は何か？ そして、それらは異なる構造的秩序の間の遷移をどのように駆動するか？
• RQ5 観察された4つの構造相—無秩序、無秩序クラスタ、秩序クラスタ、多結晶—は、有効ポテンシャルの地形からどのように生じるか？

主な発見

• 受動的粒子間の有効相互作用は調整可能であり、次元なし活性度 V̄ が増加するか、サイズ比 S が増加するに従い、反発的から引力的へと変化する。
• パラメータ空間に4つの明確な定常状態構造相が同定された：無秩序（D）、無秩序クラスタ（DC）、秩序クラスタ（OC）、多結晶（PC）。それぞれが有効ポテンシャルの異なる領域に対応する。
• 構造相間の遷移は、有効相互作用の性質の変化に起因し、引力的相互作用がクラスタ形成および長距離秩序を促進する。
• 有効ポテンシャルモデルからの予測構造は、活性-受動的混合系の完全な微視的シミュレーションで観測された構造と定量的に一致し、粗粒度化手法の妥当性が裏付けられた。
• 有効な1成分モデルは、自由エネルギー記述が存在しないにもかかわらず、活性バストにおける非平衡集団的挙動（例えば、運動性誘起相分離に類似した現象）をうまく捉えている。
• 本研究では、活性バストが、平衡状態における明示的な溶媒媒介力がなくても、受動的粒子に複雑で調整可能な自己組織化を引き起こす有効な相互作用を誘発できることを示した。