[論文レビュー] Hydrodynamic effects on the liquid-hexatic transition of active colloids

Giuseppe Negro, Claudio Basilio Caporusso+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2022

Micro and Nano Robotics被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、活性ブルーミアン粒子（ABP）および活性流体力学的粒子（AHP）の数値シミュレーションを用いて、活性コロイドにおける液体-ヘキサティック転移に及ぼす流体力学的効果を調査している。粒子質量の増加により、秩序化を促進する慣性効果が顕著になり、自己駆動による無秩序化効果を相殺する。一方で、流体力学的相互作用全体としては、無秩序化を促進し、転移を高密度側にシフトさせ、高密度域で自己持続的集団運動を可能にする。

ABSTRACT

We study numerically the role of hydrodynamics in the liquid-hexatic transition of active colloids at intermediate activity, where motility induced phase separation (MIPS) does not occur. We show that in the case of active Brownian particles (ABP), the critical density of the transition decreases upon increasing the particle's mass, enhancing ordering, while self-propulsion has the opposite effect in the activity regime considered. Active hydrodynamic particles (AHP), instead, undergo the liquid-hexatic transition at higher values of packing fraction $ϕ$ than the corresponding ABP, suggesting that hydrodynamics have the net effect of disordering the system. At increasing densities, close to the hexatic-liquid transition, we found in the case of AHP the appearance of self-sustained organized motion with clusters of particles moving coherently.

研究の動機と目的

• 中程度の活性度における自己駆動による相分離（MIPS）が存在しない状況下で、粒子の慣性（質量の変化）が液体-ヘキサティック転移に与える影響を理解すること。
• MIPSが存在しない状況において、流体力学的相互作用が活性コロイドの相挙動に果たす役割を調査すること。
• ヘキサティック-液体転移付近における活性流体力学的粒子（AHP）の集団運動および速度相関の出現を特徴づけること。
• ABPモデルとAHPモデルにおける流体力学的相互作用と慣性の秩序化転移への影響を比較すること。

提案手法

• 流体力学的相互作用をモデル化するため、2次元の活性コロイドの数値シミュレーションを多粒子衝突ダイナミクス（MPCD）法を用いて実施。
• 慣性と自己駆動の timescale を分離できるように、調整可能な粒子質量と自己駆動（ペクレ数 Pe=10,20）を有する活性ブルーミアン粒子（ABP）を実装。
• 回転拡散と流体力学的結合を分離するため、熱的スリップ境界条件を導入し、回転運動と並進運動を独立して制御可能にする。
• ABPの運動と流体場を結合することで、非等方的粒子相互作用を許容する活性流体力学的粒子（AHP）のシミュレーションを実施。
• 局所的ヘキサティック秩序パラメータ、径方向分布関数、空間的速度相関関数を測定し、構造的および動的転移を分析。
• シミュレーション中にABPとAHPモデルを切り替えることで、流体力学的相互作用が秩序化および流れのパターンに与える影響を隔離。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子質量を増加させることで、活性コロイドにおける液体-ヘキサティック転移の臨界充填率はどのように変化するか？
• RQ2 中程度の活性度における活性コロイドの秩序化転移に、流体力学的相互作用が及ぼすネット効果は何か？
• RQ3 活性流体力学的粒子（AHP）において、自己持続的集団運動はどの密度で出現するか？
• RQ4 AHP系において、ヘキサティック-液体転移に伴い空間的速度相関はどのように変化するか？
• RQ5 非流体力学的活性粒子と比較して、流体力学的相互作用は、配向秩序を抑制するか、強化するか？

主な発見

• 粒子質量を増加させることで、液体-ヘキサティック転移の臨界充填率が低下し、慣性が秩序化を促進し、自己駆動による無秩序化効果を相殺することが示された。
• ABPと比較して、流体力学的相互作用はヘキサティック-液体転移をより高い充填率にシフトさせ、配向秩序に対する流体力学的相互作用のネット効果が無秩序化であることを示唆している。
• 充填率が φ ≈ 0.720 を超える領域では、AHP系が一方向の流れを示す自己持続的集団運動を示し、速度相関の減衰が指数関数的から代数的へと転移している。
• φ ≈ 0.720 未満では、局所的配向秩序が存在しないにもかかわらず、一時的な渦が速度場に出現しており、流体力学的相関が集団運動の前段階にあることが示された。
• AHP系で流体力学的相互作用をオフにすると、グローバルなヘキサティック秩序パラメータがゆっくりと連続的に増加するため、流体力学的相互作用が完全な秩序化を妨げていることが確認された。
• AHP系の転移の臨界密度はABPよりも高く、持続的な流体力学的ゆらぎのため、系はフラクタル的で部分的に秩序化された状態にとどまる。