[論文レビュー] Phase separation and coarsening in active matter

Giuseppe Gonnella, Davide Marenduzzo+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2015

Micro and Nano Robotics参考文献 62被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、非平衡エネルギー消費により引力がなくても自己駆動粒子が自発的に凝集する、活性物質における運動能誘発相分離（MIPS）をレビューする。非平衡統計力学を用いて、MIPSを古典的相分離および粗大化理論の枠組みに位置づけ、恒常運動が凝集体形成を駆動する仕組みと、細菌集団において粗大化ダイナミクスが停止する仕組みを示す。

ABSTRACT

Active systems, or active matter, are self-driven systems which live, or function, far from equilibrium - a paradigmatic example which we focus on here is provided by a suspension of self-motile particles. Active systems are far from equilibrium because their microscopic constituents constantly consume energy from the environment in order to do work, for instance to propel themselves. The nonequilibrium nature of active matter leads to a variety of non-trivial intriguing phenomena. An important one which has recently been the subject of intense interest among biological and soft matter physicists is that of the so-called phase whereby self-propelled particles accumulate into clusters in the absence of any explicit attractive interactions between them. Here we review the physics of motility-induced phase separation, and discuss this phenomenon within the framework of the classic physics of phase separation and coarsening. We also discuss theories for bacterial colonies where coarsening may be arrested. Most of this work will focus on the case of run-and-tumble and active Brownian particles in the absence of solvent-mediated hydrodynamic interactions - we will briefly discuss at the end their role, which is not currently fully understood in this context.

研究の動機と目的

• 引力が明示的に存在しない活性物質系における粒子が自己組織化して凝集体を形成するメカニズムを理解すること。
• 運動能誘発相分離を、古典的相分離および粗大化理論の理論的枠組みに位置づけること。
• 平衡系では一般的な粗大化ダイナミクスが、細菌集団のような活性系ではどのように停止するかを調査すること。
• 流体力学的相互作用が存在しない条件下で、ランダム・トゥルーブおよび活性ブラウン運動のダイナミクスが相分離をどのように駆動するかを検討すること。
• 溶媒に起因する流体力学的相互作用が活性物質における相分離に与える影響に関する未解決の問題を強調すること。

提案手法

• 活性系における粒子ダイナミクスを分析するため、非平衡統計力学の枠組みを採用する。
• 明示的な粒子間引力なしに、自己駆動粒子をランダム・トゥルーブまたは活性ブラウン運動としてモデル化する。
• 平均場理論および流体力学的理論を用いて、相分離の発生と進化を記述する。
• 活性物質における相分離と、平衡系における古典的相分離との類似性を援用する。
• 粗粒化された流体力学方程式を用いて、粗大化過程および細菌集団モデルにおけるその停止を記述する。
• 相分離ダイナミクスの調節に及ぼす流体力学的相互作用の未解決な役割を簡単に検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 引力が存在しないにもかかわらず、活性物質における相分離を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ2 活性粒子の非平衡性が、自発的な凝集体形成および相分離をどのように引き起こすか？
• RQ3 運動能誘発相分離のダイナミクスは、どの程度古典的相分離および粗大化理論で記述可能か？
• RQ4 細菌集団のような活性系において、粗大化プロセスが停止する要因は何か？
• RQ5 流体力学的相互作用は、活性物質における凝集体の安定性および形状にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 運動能誘発相分離は、粒子の自己駆動と空間的反発の相互作用によって生じ、明示的な引力がなくても自発的な凝集体形成を引き起こす。
• 相分離は、粒子密度と活性度の勾配が有効な分離を誘導する非平衡定常状態によって駆動される。
• 活性物質における粗大化ダイナミクスは、平衡系と類似したパターンに従い、時間とともにドメインサイズが増大する。
• 細菌集団モデルでは、運動能、増殖、閉じ込め効果のバランスにより粗大化が停止し、安定な凝集体パターンが形成される。
• 流体力学的相互作用の役割は未解決のままであり、それが相分離ダイナミクスに与える影響はまだ完全には理解されていない。
• 詳細なバランスが成立しないにもかかわらず、古典的相分離の枠組みは、活性物質における凝集体形成を理解する上で有用な類似例を提供する。