[論文レビュー] Nonequilibrium Glass Transition in Mixtures of Active-Passive Particles

Huai Ding, Mengkai Feng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2015

Material Dynamics and Properties被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、活性・非活性の硬球混合系のモード結合理論（MCT）を構築し、粒子の活性性がガラス転移をより高い体積分率へシフトさせることを示した。重要かつ画期的な発見として、活性性に起因するクラスタリングのため、動的停止が再び現れる非単調的かつ再入型のガラス転移が存在することを明らかにした。活性性を増加させると、最初はガラス状態が溶けるが、高活性領域では再び動的停止が再発生する。これは、閉じ込め（caging）ではなく、活性性に起因するクラスタリングに起因する。

ABSTRACT

We develop a mode coupling theory(MCT) to study the nonequilibrium glass transition behavior of a mono-disperse mixture of active-passive hard-sphere particles. The MCT equations clearly demonstrate that the glass transition is shifted to higher values of total volume fraction when doping a passive system with active particles. Interestingly, we find that the glass transition point may show a non-monotonic dependence on the effective diffusivity of the active component, indicating a nontrivial type of activity induced reentrance behavior. Analysis based on the nonergodic parameters suggest that the glassy state at small activity is due to the caging effect, while that at high activity could result from activity induced dynamic clustering.

研究の動機と目的

• 非平衡ガラス転移のマイクロスコピックな理論的枠組みを、活性・非活性粒子混合系に対して構築すること。
• 密度系の懸濁液におけるガラス転移境界に及ぼす粒子の活性性と組成の影響を調査すること。
• 活性系における動的停止を駆動するメカニズム（閉じ込め対比クラスタリング）の本質を理解すること。
• 活性性に起因する相分離が、混合系における新しい種類のガラス状態をもたらすかどうかを特定すること。

提案手法

• 有効拡散度を用いた一般化されたスモルーチョフスキー方程式を定式化し、活性粒子を強化された拡散運動としてモデル化する。
• モリ＝ツワンツィグ射影形式を適用して、密度相関関数の閉じた方程式を導出する。
• 活性粒子と非活性粒子の二成分混合系のモード結合理論（MCT）方程式を導出する。
• 非エルゴードパラメータを用いて、閉じ込め支配型とクラスタリング支配型のガラス状態を区別する。
• ガラス転移体積分率 φc が活性性（λa）および活性粒子分率（xa）に依存する様子を分析する。
• 異なる活性度および組成における挙動を比較し、再入現象を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子の活性性は、活性・非活性混合系におけるガラス転移体積分率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 活性性を増加させることで、系が溶けてから再び停止する再入型ガラス転移が生じ得るか？
• RQ3 高活性領域における動的停止を支配する物理的メカニズムは、閉じ込めかクラスタリングか？
• RQ4 活性粒子の数分率が再入現象の発生にどのように影響を与えるか？
• RQ5 再入型ガラス転移は、純粋な活性系では観察されない混合系特有の特徴であるか？

主な発見

• 非活性系に活性粒子をドーピングすると、ガラス転移がより高い全体積分率へシフトする。
• 非単調的かつ再入型のガラス転移が観測された：活性性を増加させると、最初はガラス性が抑制され、高活性領域では再びガラス状態が回復する。
• 小規模な活性性では、動的停止は閉じめによるものであるが、大規模な活性性では、活性性に起因する粒子のクラスタリングによるものである。
• 高活性領域では、非エルゴードパラメータ f_k^a は大きな k ではほぼゼロであるが、小さな k では非ゼロであり、これは小スケールでは流動的運動が、大スケールでは凍結した構造が存在することを示唆する。
• 活性粒子分率 xa が閾値を超えると、再入現象は抑制され、純粋な活性系では φc が約 0.65 に飽和する。
• 再入型転移は、活性・非活性混合系に特有の特徴であり、純粋な活性系では観察されない。