[논문 리뷰] Active Dipolar Colloids in Three Dimensions: Strings, Sheets, Labyrinthine Textures and Crystals

Nariaki Sakaï, C. Patrick Royall|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 08.

Micro and Nano Robotics인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 교류 전기장 하에서 3차원 활성 이중극 입자계를 실험적으로 조사하여 예상치 못한 대칭성 파괴를 통해 진동하는 2차원 필름으로의 전이와 그 후 동적인 랩소디 상으로의 진화를 규명한다. 수동 시스템과 달리, 활성력, 입자 간섭력, 이중극력 간의 경쟁은 비단조화적인 역학과 결정화 유도 가속을 유도하며, 활성 물질에서의 전통적 상 행동 예측을 도전한다.

ABSTRACT

Active matter exhibits striking behaviour reminiscent of living matter and molecular fluids, and has promising applications in drug delivery or mixing at the micron scale. Active colloidal systems provide important models with simple and controllable interactions amenable to theory and computer simulation. Experimental work is dominated by (quasi) two--dimensional (2d) systems at relatively low concentration, and rather less is known of the 3d case at concentrations pertinent to motility induced phase separation or to mimic morphogenesis. Here we investigate a 3d experimental system of active colloids in a dense suspension up to volume fractions of 0.5. The particles in our system are self-propelled in the lateral plane under an AC electric field. The field in addition induces an electric dipole, and the competition between activity and both steric and dipolar interactions gives rise to phase behaviour ranging from an active gas to a dynamic labyrinthine phase as well as dense tetragonal and hexagonal crystals. Intermediate volume fractions are characterised by two--dimensional sheets with large fluctuations reminiscent of active membranes. These active sheets break symmetry in a direction perpendicular to the applied field. Moreover, the relationship between electric field and the particle dynamics depends in a complex and unexpected manner upon the position in the state diagram.

연구 동기 및 목표

• 고체율 분율(최대 φ = 0.5)에서 3차원 활성 입자 분산계의 상 행동을 탐구함. 이는 운동성 유도 상분리(MIPS)와 이중극 상호작용이 공존하는 조건임.
• 특히 2차원 또는 수동 시스템과의 대비에서 3차원에서 활성력과 이중극 상호작용 간의 경쟁을 조사함.
• 기존 수동 또는 2차원 활성 시스템에서 관찰되지 않은 새로운 상호작용 구조—예를 들어 진동하는 2차원 필름과 기하학적 연결망을 형성하는 랩소디 네트워크—를 규명함.
• 전기장 강도와 분율에 따른 입자 역학의 비정상적 의존성, 특히 밀도 증가와 함께 결정화가 빠른 역학을 유도하는 반직관적인 현상에 주목함.
• 생물학적 형태형성과 활성 재료에 관련된 활성 막 유사 진동과 동적 네트워크 형성 연구를 위한 모델 시스템을 구축함.

제안 방법

• 3차원 분산계에서 자가 추진 입자를 콫시컬 현미경으로 영상 촬영함. 이는 분율을 제어한 고밀도의 준3차원 기하구조에서 수행됨.
• 교류 전기장을 적용하여 입자에 횡방향 자가 추진력(활동성)과 전기장 방향(세로축)에 따라 영구 이중극 모멘트를 유도함. 이로 인해 이중극 상호작용이 가능해짐.
• 다양한 전기장 강도와 분율 조건에서 입자 역학과 구조적 진화를 시간에 따라 측정하여 상태도를 그림.
• 공간 상관 함수와 동적 이질성 지표를 통해 줄무늬, 필름, 랩소디 네트워크 등의 구조적 무늬 분석.
• MIPS 및 수동 이중극 시스템에 대한 이론 예측과 비교하여 활성력에 의한 탈선을 규명함.
• 평균 제곱 이동(MSD) 분 析을 통해 운동성 역학을 정량화함. 이는 부분 확산 행동과 비단조화적인 필드 의존성을 탐지함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원에서 이중극 상호작용과 활성 운동 간의 상호작용이 2차원 또는 수동 시스템에서 관찰되지 않는 새로운 자가조직화 구조를 어떻게 유도하는가?
• RQ2 3차원 분산계에서 왜 전기장 방향과 수직인 평면에서 진동하는 2차원 필름이 형성되는가? 이러한 구조는 어떻게 전기장에 수직인 방향에서 대칭성을 깨는가?
• RQ3 왜 시스템은 비단조화적인 역학을 보이며, 특히 밀도 증가와 함께 결정화가 빠른 역학을 유도하는가?
• RQ4 전기장이 동시에 활동성을 증가시키고 이중극 결합을 강화함에 따라, 전기장이 다양한 상에서 입자 역학에 어떻게 다르게 영향을 미치는가?
• RQ5 랩소디 상은 활성 재구성 가능성을 지닌 동적이고 기하학적으로 연결된 네트워크로 분류될 수 있는가? 이는 세 cytoskeletal 활성 물질과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 3차원 구속 조건에도 불구하고, 적용된 전기장에 수직인 평면에서 대칭성 파괴로 인해 중간 분율에서 2차원 진동 필름이 형성됨.
• 높은 분율에서 이러한 필름들이 상호 연결되고 분열하며 입자 교환을 반복하는 동적 랩소디 상으로 전이됨.
• 랩소디 상은 부분 확산 역학을 보이며, 낮은 분율과 개방 구조를 지닌 테트라고널 결정 상보다 더 점성이 높음.
• 결정화가 발생함에 따라 입자 역학이 빨라지는 반직관적인 현상이 관찰되며, 이는 밀도가 증가함에 따라 느려지는 것으로 예상되는 전통적 기대와 배치됨.
• 전기장은 랩소디 상에서는 역학을 억제하지만 다른 상에서는 증가시키며, 이는 상태도의 다양한 영역에서 활성력이 이중극 결합보다 우세한 필드 의존성의 지배를 보임.
• 모든 전기장 강도에서 이중극 상호작용 에너지가 주요 에너지 척도로 유지되지만, 동적 반응은 필드 강도에 비단조화적으로 관련되지 않으며, 활성력과 상호작용 간의 복잡한 결합을 드러냄.