[論文レビュー] Validity of Fluctuation Theorem on Self-Propelling Particles

Ryo Suzuki, Haochuan Jiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2011

Spacecraft and Cryogenic Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、交流電界下における自己駆動型コロイド粒子の回転トルクを実験的に測定することで、自己駆動型コロイド粒子に対するフラクチュエーション定理（FT）の妥当性を検証した。2つの独立したトルク推定法—FTに基づく推論とストークスの法則—を用いて一貫性を確認し、微小スケールの非平衡系におけるFTの有効性を示した。

ABSTRACT

The experimental application of fluctuation theorem (FT) on nanometer to submicrometer sized systems has received thorough attention in the past several years. Nonetheless, the employment of FT on self-propelling objects has seldom been performed due to experimental difficulties. In this paper, we applied FT on a doublet that is comprised of asymmetrically coated self-propelling colloidal particles (Janus particles), which experiences a continuous rotation by applying AC electric field. We found that FT is valid for rotating self-propelling colloids by evaluating the estimated rotary torque to coincide with another form of torque estimation, which considers the rotation speed of the doublet and a simple Stokes equation.

研究の動機と目的

• 自己駆動粒子からなる非平衡系におけるフラクチュエーション定理（FT）の妥当性を検証すること。
• 非対称にコーティングされたヤヌス粒子を用いることで、活性物質にFTを適用する際の実験的課題を克服すること。
• 回転運動におけるストークスの法則による流体力学的予測と、FTに基づくトルク推定を比較すること。
• 確率的ゆらぎとマクロな力学的挙動との間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• 交流電界下で自己駆動を発揮する非対称コーティングを有するヤヌス粒子の二重体を用いた。
• 粒子の回転統計からトルクを推定するためにフラクチュエーション定理を適用した。
• 回転速度と回転球体の粘性抵抗に対するストークスの法則を用いて予想されるトルクを計算した。
• 2つのトルク推定値を比較し、活性系におけるフラクチュエーション定理の一貫性を検証した。
• 粒子の回転軌跡からの実験データを用いてゆらぎ統計を抽出した。
• 角速度の分布に対する統計解析を実施し、FTを介して有効トルクを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己駆動型マイクロスケール粒子に対してフラクチュエーション定理を実験的に検証できるか？
• RQ2 ゆらぎ統計から推定されたトルクは、流体力学的予測とどの程度一致するか？
• RQ3 フラクチュエーション定理は、活性コロイドの非平衡ダイナミクスをどの程度正確に記述できるか？
• RQ4 FTに基づくトルク推定とストークスの法則に基づく計算との間に定量的整合性があるか？
• RQ5 確率的ゆらぎが、活性系における有効トルクの決定に果たす役割は何か？

主な発見

• フラクチュエーション定理は、自己駆動ヤヌス粒子二重体における回転トルクをうまく予測できた。
• FTに基づくトルク推定値は、ストークスの法則と測定された回転速度に基づく計算値と良好に一致した。
• 実験データにより、微小スケールの非平衡系におけるフラクチュエーション定理の妥当性が確認された。
• FTに基づくトルク推定と流体力学的トルク推定の一致は、活性物質系の熱力学的一致性を支持する。
• 本研究では、連続的なエネルギー供給と自己駆動を有する系に対してもフラクチュエーション定理を適用可能であることを示した。
• 結果として、フラクチュエーション定理が、非平衡状態に大きくずれた系においても活性物質の予測ツールとして有効であることが検証された。