[논문 리뷰] Flow-induced nonequilibrium self-assembly in suspensions of stiff, apolar, active filaments

Ankita Pandey, P. B. Sunil Kumar외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 02.

Pickering emulsions and particle stabilization참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 유체역학적 흐름에 의해 구동되는 강성, 무극성, 능동성 있는 필라멘트 분산계에서 비평형 자가조립 메커니즘을 규명한다. 확장성 필라멘트는 횡방향 인력에 의해 궤도적으로 이동하고 회전하는 클러스터를 형성하는 반면, 수축성 필라멘트는 농도에 따라 변화하는 미세구조—아스터, 클러스터, 그리고 조기 형성된 젤—를 확산성이고 비열적 운동을 통해 형성하며, 평형 열역학을 초월하는 계층적인 능동 물질 조립을 위한 일반적인 경로를 보여준다.

ABSTRACT

Active bodies in viscous fluids interact hydrodynamically through self-generated flows. Here we study spontaneous aggregation induced by hydrodynamic flow in a suspension of stiff, apolar, active filaments. Lateral hydrodynamic attractions in extensile filaments lead, independent of volume fraction, to anisotropic aggregates which translate and rotate ballistically. Lateral hydrodynamic repulsion in contractile filaments lead, with increasing volume fractions, to microstructured states of asters, clusters, and incipient gels where, in each case, filament motion is diffusive. Our results demonstrate that the interplay of active hydrodynamic flows and anisotropic excluded volume interactions provides a generic nonequilibrium mechanism for hierarchical self-assembly of active soft matter.

연구 동기 및 목표

• 능동성 있고 무극성인 필라멘트에서 유래하는 유체역학적 흐름이 열적 불확실성 없이 비평형 자가조립을 유도하는 방식을 이해하는 것.
• 이sovotropic한 배제 부피와 유동 대칭성(확장성 대 수축성)이 집단적 필라멘트 역학을 결정하는 데 미치는 역할을 조사하는 것.
• 농도에 따라 수축성 필라멘트 분산계에서 나타나는 고유한 미세구조 상태를 규명하는 것.
• 집단적 운동이 외부 힘이 아닌 내부의 능동적 유동에서 시간 역행 대칭성이 깨지면서 발생하는 이유를 입증하는 것.
• 연속체 이론을 초월하는 근접장 유체역학 효과를 포괄하는 입자 수준의 모델을 제공하는 것.

제안 방법

• 각 강성, 무극성 필라멘트를 힘 없는, 토크 없는 스트레스렛 유동을 생성하는 능동성 빈티드로 모델링한다.
• 기본적이고 장거리 유동장을 나타내기 위해 불가약한 스트레스렛 근사를 사용한다.
• 근접장 역학을 해석할 수 있도록 유체역학적 상호작용과 배제 부피 상호작용을 명시적으로 시뮬레이션한다.
• 필라멘트의 위치, 정렬 방향, 질량중심 운동을 추적하여 확산 및 클러스터 형성 동역학을 정량화한다.
• 농도에 따른 미세구조 상태를 분류하기 위해 정적 k-머 계열 분포 P*(k)를 계산한다.
• 평균 제곱 이동을 분석하여 다양한 영역에서 확산 운동과 궤도적 운동을 구분한다.

Figure 1: (Color online) Self-assembly of extensile filaments. (a) Flow field of two extensile filaments producing lateral attraction. (b) Lateral attraction drive rapid dimerization at early times. (c) Coagulation of $k$ -mers at intermediate times. (d) Aggregation of $k$ -mers into a single cluste

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장성과 수축성 능동성 필라멘트는 유체역학적 흐름 하에서 어떻게 자가조립되며, 그들의 상이한 역학을 이끄는 요소는 무엇인가?
• RQ2 배제 부피의 이방성은 필라멘트 집합체의 안정성 또는 불안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 농도가 수축성 분산계에서 아스터에서 클러스터로, 그리고 조기 형성된 젤로의 전이를 어떻게 규제하는가?
• RQ4 열적 노이즈 없이도 비열적이고 확산성 운동이 능동계에서 나타날 수 있는가, 그리고 그 확산 계수는 농도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 왜 확장성 필라멘트는 안정적인 궤도적 운동을 하는 클러스터를 형성하는 반면, 수축성 필라멘트는 등방성임에도 불구하고 미세구조를 유지하는가?

주요 결과

• 확장성 필라멘트는 횡방향 유체역학적 인력으로 인해 자발적으로 안정적인 회전하는 이량체를 형성하며, 이는 빠른 이량체화와 이후의 대규모 궤도적 이동 클러스터로의 응집을 이끈다.
• 수축성 필라멘트는 농도에 따라 변화하는 미세구조를 보이며, φ = 0.05–0.15에서 아스터, φ = 0.21–0.24에서 클러스터, φ = 0.34에서 조기 형성된 젤을 나타내며, φ ≈ 0.3 근처에서 급격한 전이가 발생한다.
• 모든 미세구조 상태에서 필라멘트 질량중심의 평균 제곱 이동은 시간에 따라 선형적으로 증가하며, 이는 비열적이고 확산성 운동임을 확인하며, 확산 계수 D는 농도가 증가함에 따라 감소한다.
• 확산 계수 D는 스토크스-아인슈타인 관계를 따르지 않으며, 이는 열적 요동이 아닌 능동적 비평형 힘에 의해 유도되기 때문이다.
• 확장성 분산계에서는 두 단계의 응집 동역학이 관찰되며, 초기에 빠른 클러스터 형성 후에 느린 융합을 통해 큰 동적 집합체로 전이된다.
• 이동성 행렬에서 온제이저 대칭성이 없기 때문에 필라멘트 간 상대 운동이 가능하며, 이는 수동계에서는 달성할 수 없는 집단적 비평형 역학을 가능하게 한다.

Figure 2: (Color online) Growth kinetics in extensile filaments. The mean of the $k$ -mer distribution function $\langle k\rangle$ as a function of time $t$ , for varying filament numbers $N$ . Dimerization dominates the rapid growth for $t\ll\tau_{e}$ while coagulation of $k$ -mers dominates the sl