[論文レビュー] Topological defects in non-reciprocal active solids with odd elasticity

L. P. Braverman, Colin Scheibner+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2020

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 52被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、奇性弾性を有する非対称な活性固体における位相的欠陥を調査しており、破れたMaxwell-Bettiの対称性が非対称な弾性率を生じさせ、その結果として格子欠陊の相互作用や安定性が変化することを示している。分子動力学シミュレーションにより、活性的プラスティック過程によって駆動される移動性のある格子欠陊が明らかとなり、回転粒子系やロボットメタマテリアルに関する知見が得られた。

ABSTRACT

We study topological defects in active solids whose microscopic interactions violate Maxwell-Betti reciprocity (MBR). Broken MBR arises in active solids whenever the linear response between microscopic displacements and (non-conservative) forces is asymmetrical. In the continuum, broken MBR yields an asymmetric (or odd) elastic modulus tensor that modifies the interaction between dislocations, even reversing the stability of otherwise bound pairs. Such odd elastic moduli can also arise in reciprocal systems with conservative microscopic forces if pre-stress is present. Beyond continuum theories, isolated dislocations can also become motile due to microscopic work cycles active at dislocation cores that compete with conventional Peach-Koehler forces caused, for example, by ambient torque densities. We perform molecular dynamics simulations isolating active plastic processes and discuss their experimental relevance to solids composed of spinning particles and robotic metamaterials.

研究の動機と目的

• 活性固体における破れたMaxwell-Bettiの対称性が非保存的力および非対称な弾性率をもたらす仕組みを理解すること。
• 奇性弾性が格子欠陊の相互作用、特に格子欠陊対の安定性に与える影響を調査すること。
• 格子欠陊コアにおける活性的プラスティック機構が、従来のPeach-Koehler力と競合する微視的仕事サイクルを生成するメカニズムを同定すること。
• 非対称な相互作用を有する系において、分子動力学を用いて移動性のある格子欠陊のダイナミクスをシミュレートおよび分析すること。
• 理論的知見を回転粒子アセンブリーやロボットメタマテリアルなどの実験的系に結びつけること。

提案手法

• Maxwell-Bettiの対称性を破る非対称な微視的相互作用を有する活性固体のモデル化。
• 非保存的力-変位応答を記述する非対称（奇性）弾性率テンソルを有する連続体弾性理論の導出。
• 格子欠陊コアにおける活性的プラスティック過程を分離する分子動力学シミュレーションの実施。
• 格子欠陊の運動を駆動する微視的仕事サイクルと従来のPeach-Koehler力との競合の分析。
• 予め応力を加えることで、もともとは対称的である系に奇性弾性を誘導するメカニズムの使用。
• 奇性弾性効果下での格子欠陊対の安定性と可動性のシミュレーションによる結果の妥当性の検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 破れたMaxwell-Bettiの対称性は、活性固体における格子欠陊対の安定性にどのように影響するか？
• RQ2 奇性弾性率は、格子欠陊の相互作用をどのように変化させ、運動性を可能にするか？
• RQ3 格子欠陊コアにおける活性的プラスティック過程は、どのようにネット仕事を作り出し、格子欠陊の運動を駆動するか？
• RQ4 予め応力を加えることで、保存的力を持つ対称的系に奇性弾性をどのように誘導できるか？
• RQ5 回転粒子系やロボットメタマテリアルにおける奇性弾性の実験的兆候は何か？

主な発見

• 破れたMaxwell-Bettiの対称性は、非対称な弾性率を生じさせ、結合格子欠陊対の安定性を逆転させる。
• 予め応力を加えることで、保存的微視的力が存在する対称的系においても奇性弾性率が出現しうる。
• 格子欠陊コアにおける活性的プラスティック過程により、微視的仕事サイクルが生じ、格子欠陊が移動性を示す。
• 格子欠陊コアにおける活性的仕事サイクルは、従来のPeach-Koehler力と競合し、場合によってはそれを上回る。
• 分子動力学シミュレーションにより、非保存的力によって駆動される持続的な格子欠陊運動の存在が確認された。
• 本研究の知見は、回転粒子アセンブリーやロボットメタマテリアルなどの活性物質系において実験的に関連性がある。