[論文レビュー] Pattern formation in colloidal mixtures under external driving fields

Joachim Dzubiella, Hartmut Loewen|Aug 6, 2002

Material Dynamics and PropertiesMaterials Science参考文献 45被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、非一様な外部駆動場下での二成分コロイド混合系におけるパターン形成を、非平衡ブラウン運動シミュレーションと単純な理論モデルを用いて調査する。非平行な力が作用すると、力の差のベクトルに沿って傾いたラン構造が形成されるのに対し、結晶状態の場のない状態に対して平行な力が作用すると、再entrantな溶融・再結晶化転移が発生し、滑らかに分離した結晶状のランが形成されることが明らかになった。

ABSTRACT

The influence of an external field acting differently on the two constituents of a binary colloidal mixture performing Brownian dynamics is investigated by computer simulations and a simple theory. In our model, one half of the particles ($A$-particles) are pulled by an external force ${\vec F}^{(A)}$ while the other half of them ($B$-particles) are pulled by an external force ${\vec F}^{(B)}$. If ${\vec F}^{(A)}$ and ${\vec F}^{(B)}$ are parallel and the field-free state is a mixed fluid, previous simulations (J. Dzubiella et al, Phys. Rev. E {\bf 65} 021402 (2002)) have shown a nonequilibrium pattern formation involving lanes of $A$ or $B$ particles only which are sliding against each other in the direction of the external forces. In this paper, we generalize the situation both to non-parallel external forces and to field-free crystalline states. For non-parallel forces, lane formation is also observed but with an orientation {\it tilted} with respect to the external forces. If the field-free state is crystalline, a continuous increase of the parallel external forces yields a novel {\it reentrant freezing} behavior: the crystal first melts mechanically via the external force and then recrystallizes into demixed crystalline lanes sliding against each other.

研究の動機と目的

• 非平行な外部力が、平行力のケースを超えて二成分コロイド混合系にパターン形成を引き起こす仕組みを理解すること。
• 外部場が場のない結晶状態に与える影響、特に力学的溶融と再結晶化の出現を調査すること。
• 流体ランの形成に関する先行研究を、結晶状の基底状態および非平行駆動力を持つ系へ一般化すること。
• 制御された外部場を用いたコロイド懸濁液および歩行者ダイナミクスにおける実験的実現法を提案すること。
• 流体力学的相互作用および代替的な場の配置（例：振動場）がランパターンの安定化に果たす役割を検討すること。

提案手法

• ヤーコブポテンシャルを用いた同一の対相互作用を有する2次元二成分コロイド混合系を、同一の対相互作用を持つ過減衰ブラウン運動でシミュレートする。
• A粒子およびB粒子にそれぞれ異なる外部力 F^(A) および F^(B) を適用し、外部場に対する異なる応答をモデル化する。
• 加法的ホワイトノイズを伴うランジュバン方程式を用いて粒子の運動を記述し、完全な過減衰を仮定し、流体力学的相互作用を無視する。
• 力の大きさと方向を変化させながら、流体状態および結晶状態の場のない状態の両方でシミュレーションを実施する。
• スナップショットおよび秩序パラメータを用いた構造的進化の分析により、ランの形成、溶融、再結晶化転移を同定する。
• 結果を現象論的理論と比較し、沈降コロイドや歩行者流れを含む実験系への含意を議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非平行な外部力が、二成分コロイド混合系におけるラン形成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 場のない結晶状態に増加する平行な外部力が作用する場合、どのような構造的転移が生じるか？
• RQ3 外部場による仕事によって、機械的溶融に続く再結晶化を示す再entrantな相転移を誘発できるか？
• RQ4 非平行な場合に、得られるランの向きは外部力ベクトルに対してどのように整列するか？
• RQ5 予測されたパターンは、コロイド系や歩行者ダイナミクスにおいてどのように実験的に実現可能か？

主な発見

• 非平行な外部力の下では、ランが A と B の力の差のベクトル F^(B) - F^(A) に沿って形成され、個々の力の方向に対して傾いたランが得られる。
• 場のない結晶状態において、平行な外部力が増加すると、最初に力学的溶融が発生し、その後、分離した A および B を多く含む結晶状ランへの再entrantな再結晶化が進行する。
• 再結晶化状態では、完全に分離した結晶状ランが互いに滑らかにすべり合う構造を示し、これは流体ラン状態に類似しているが、固体相に存在する。
• ラン形成の臨界力は、外部力とヤーコブポテンシャルからの典型的な相互作用力とを比較することで推定可能である。
• 本モデルでは流体力学的相互作用を無視しているが、長距離にわたる流れ場の影響により、ラン形成に必要な臨界場強度は低下すると予想される。
• 本モデルは、重力と電場が交差するような条件下でのコロイド懸濁液や、方向性を持つ流れのランを有する歩行者ダイナミクスにおいて、実験的に検証可能な現象を予測している。