[論文レビュー] Hydrodynamic interactions can induce jamming in flow-driven systems

Cereceda-L\'opez, Eric, Lips, Dominik+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2021

Micro and Nano Robotics被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、力駆動系における通常の促進的役割とは対照的に、流体駆動系のコロイド系において、流体力学的相互作用（HIs）がジャミングを引き起こすことが示された。回転する光学トラップを用いて渦状流れを生成し、実験と理論の両面からHIsが有効なポテンシャル障壁を強化し、高密度で粒子電流が減少することを明らかにした—流体駆動輸送における一般化されたジャミングメカニズムの解明に寄与した。

ABSTRACT

Hydrodynamic interactions between fluid-dispersed particles are ubiquitous in soft matter and biological systems and they give rise to intriguing collective phenomena. While it was reported that these interactions can facilitate force-driven particle motion over energetic barriers, here we show the opposite effect in a flow-driven system, i.e. that hydrodynamic interactions hinder transport across barriers. We demonstrate this result by combining experiments and theory. In the experiments, we drive colloidal particles using rotating optical traps, thus creating a vortex flow in the corotating reference frame. We observe a jamming-like decrease of particle currents with density for large barriers between traps. The theoretical model shows that this jamming arises from hydrodynamic interactions between the particles. The impact of hydrodynamic interactions is reversed compared to force-driven motion, suggesting that our findings are a generic feature of flow-driven transport.

研究の動機と目的

• 流体駆動系における粒子輸送における流体力学的相互作用（HIs）の役割を調査し、力駆動系における既知の効果と対比する。
• 周期的で閉じた幾何形状内に明確な流れ場を生成するため、回転する光学トラップを用いた制御された実験設定を設計する。
• 粒子密度および障壁高さの関数として、ジャミング的挙動を粒子電流の観点から観測および定量する。
• 観察されたジャミングがHIsによる有効ポテンシャル障壁の強化に起因することを説明する理論的モデルを構築する。
• このHIsに起因するジャミングが、ポテンシャルの不完全性に依存しない、流体駆動輸送の一般的特徴であることを確立する。

提案手法

• 回転する参照フレーム内での時間依存的で渦状の流れを模倣するために、回転する光学トラップを用い、流体駆動輸送を再現した。
• レーザー出力の変調により障壁高さを調整可能な27個の等間隔に配置されたリング形状の光学トラップを採用した。
• 高速CMOS顕微鏡とCrocker-Grier追跡法を用いて粒子の動的挙動を測定し、平均二乗変位および速度を抽出した。
• 実験データを時間依存ポテンシャルモデル Uϕ(ϕ,t) = U₀/2 [1 + ξ sin(ϕ + ωt)] cos(Ntrϕ) にフィットさせ、振幅変調および障壁高さを捉えた。
• Oseenテンソルを用いて流体力学的相互作用を含めたブラウン運動シミュレーションを実施し、実験結果と比較し、モデルの妥当性を検証した。
• 基本図（電流対密度）の解析により、ジャミング転移を特定し、HIsの影響を定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流体力学的相互作用は、力駆動系における促進的役割とは対照的に、流体駆動系の粒子輸送においてジャミングを引き起こすか？
• RQ2 流体力学的相互作用は、流体駆動系における有効ポテンシャル障壁をどのように変化させるか？
• RQ3 粒子密度が周期的ポテンシャル内の流体駆動系における電流に与える影響はどの程度で、これはジャミング転移を引き起こすか？
• RQ4 観察されたジャミングは、外部ノイズやポテンシャルの不完全性ではなく、流体力学的相互作用に起因するものか？
• RQ5 障壁高さや粒子密度が変化してもジャミング効果は安定しており、AODによるポテンシャル変調があっても持続するか？

主な発見

• 実験的に、流体駆動系において粒子密度が増加するに従い、HIsがジャミング的減少を引き起こすことが観測された。
• ジャミング効果は、HIsが有効ポテンシャル障壁を強化し、粒子通過にかかるエネルギーコストを増加させることに起因する。
• 粒子密度が上昇するに従い、流体力学的結合に起因して有効障壁高さが増加し、電流-密度関係が非単調的になる。
• 実験的電流-密度データは、HIsを含むブラウン運動シミュレーションと良好に一致しており、メカニズムの妥当性が裏付けられた。
• HIsの影響は力駆動輸送とは逆転する：力駆動下では障壁を克服するのを助けるが、流体駆動下では輸送を妨げる。
• ジャミング効果は頑健であり、AODによるポテンシャル変調があっても持続するため、現実の非理想系に対しても関連性がある。