[논문 리뷰] Dynamics of a simple model microswimmer in an anisotropic fluid: implications for alignment behavior and active transport in a nematic liquid crystal

Abdallah Daddi‐Moussa‐Ider, Andreas M. Menzel|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 03.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 192인용 수 33

한 줄 요약

이 연구는 나프탈렌 액체 결정과 같은 축방향 비대칭 유체에서 최소 모델 미크로스위머의 역학을 이론적으로 조사한다. 국소적 힘에 의해 유도된 유체 흐름에 대한 유체역학적 그린 함수를 유도함으로써 수행된다. 분석 결과, 스위머의 정렬 방향(동축, 수직, 또는 기울임)은 추진 유형(푸시어 대 풀러)과 점성도 비대칭성에 따라 달라지며, 자가 생성된 흐름과 유체의 비대칭성 간의 유체역학적 결합에 의해 이끌린다. 이 결과는 조절 가능한 비대칭 매질에서 활성 물질의 제어된 운반을 뒷받침한다.

ABSTRACT

Several recent experiments investigate the orientational and transport behavior of self-driven bacteria and colloidal particles in nematic liquid crystals. Correspondingly, we study theoretically the dynamics of a minimal model microswimmer in a uniaxially anisotropic fluid. As a first step, the hydrodynamic Green's function providing the resulting fluid flow in response to a localized force acting on the anisotropic fluid is derived analytically. On this basis, the behavior of both puller- and pusher-type microswimmers in the anisotropic fluid is analyzed. Depending on the propulsion mechanism and the relative magnitude of different involved viscosities, we find alignment of the swimmers parallel or perpendicular to the anisotropy axis. Particularly, also an oblique alignment is identified under certain circumstances. The observed swimmer reorientation results from the hydrodynamic coupling between the self-induced fluid flow and the anisotropy of the surrounding fluid, which distorts the self-generated flow field. We support parts of our results by a simplified linear stability analysis. Our theoretical predictions are in qualitative agreement with recent experimental observations on swimming bacteria in nematic liquid crystals. They support the objective of utilizing the, possibly switchable, anisotropy of a host fluid to guide individual microswimmers and active particles along a requested path, enabling controlled active transport.

연구 동기 및 목표

• 자기 추진 미크로스위머와 비대칭 유체의 점탄성 거동 간의 유체역학적 결합이 나프탈렌 액체 결정 내 스위머 정렬 방식을 어떻게 규정하는지 이해하기.
• 점성도 텐서의 비대칭성을 고려한 축방향 비대칭 유체 내 유체 흐름에 대한 해석적 유체역학적 그린 함수 유도.
• 푸시어 또는 풀러 유형의 미크로스위머가 나프탈렌 도메인의 축에 대해 평행, 수직, 또는 기울어진 각도로 정렬하는 조건을 규명하기.
• 조절 가능한 비대칭 매질에서 활성 입자를 지도하고 제어 가능한 활성 운반 응용을 위한 이론적 기초 제공.
• 단순 선형 안정성 분석과 경계 적분 방법을 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 이론적 예측의 타당성 검증.

제안 방법

• 연속체 역학과 보존 법칙을 이용하여 비대칭 유체 내 국소적 힘에 대한 유체역학적 그린 함수 유도. Leslie-Ericksen 이론 프레임워크 통합.
• 푸시어 및 풀러 추진 메커니즘을 표현하기 위해 비대칭 힘 중심 두 개를 갖는 구형 미크로스위머 모델링.
• 유도된 그린 함수를 사용하여 나프탈렌 도메인 축에 평행 및 수직으로 움직일 때의 자기 이동도 및 쌍이동도 텐서 계산.
• 근사 전개 및 해석적 적분 기법(예: 푸리에 변환, 레지오드 전개)을 적용하여 이동도 함수에 대한 폐쇄형 표현식 도출.
• 정밀도 평가를 위해 세분화된 삼각형 메esh(320 및 1280개 삼각형)를 사용한 경계 적분 방법(BIM) 시뮬레이션을 통한 결과 검증.
• 관측된 정렬 행동을 지지하고 안정된 정렬 방향을 예측하기 위해 선형 안정성 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나프탈렌 액체 결정 유체의 비대칭성이 자기 추진 미크로스위머의 정렬 및 정렬 방향에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 푸시어 또는 풀러 유형의 미크로스위머가 나프탈렌 도메인 축에 대해 평행 또는 수직으로 정렬하는 데 어떤 요인이 작용하는가?
• RQ3 미크로스위머가 도메인 축에 대해 기울어진 안정된 정렬 상태를 취하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 점성도 계수(ν2, ν3, ¯ν)의 상대적 크기가 유체역학적 결합과 그로 인한 스위머 역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 유체 비대칭성이 존재할 경우 해석적 예측의 이동도 함수와 수치 시뮬레이션 간의 일치 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 비대칭 유체에 대한 유체역학적 그린 함수가 해석적으로 유도되어 나프탈렌 환경 내 국소적 힘에 대한 유체 흐름 예측 가능.
• 푸시어 유형의 스위머는 점성도 비대칭성이 확장 흐름을 선호할 경우 도메인 축에 대해 평행 정렬을 예측하며, 유사 조건에서 풀러는 수직 정렬을 보인다.
• 점성도 계수 비율(예: ν2/ν3 및 ¯ν/ν3)이 중간 값에 도달할 경우 기울어진 정렬 상태가 나타나며, 이는 비대칭성에 대한 비단조화적 의존성을 시사한다.
• 도메인 축에 평행한 자기 이동도는 1/(4πhν3) 비례로 스케일링되며, 수직 성분은 1/(8πhν2) 비례로 스케일링되어 흐름에 대한 비대칭 저항 반영.
• 경계 적분 방법(BIM) 수치 시뮬레이션은 다양한 점성도 비율과 입자 간격에서 해석적 예측과 뛰어난 일치를 보이며, 자기 이동도 및 쌍이동도 함수 모두에 대해 검증됨.
• 최근 나프탈렌 액체 결정 내 운동 세균에 대한 실험 결과와 정량적으로 일치하며, 조절 가능한 유체 비대칭성을 활용한 활성 입자 유도 가능성 뒷받침함.