[논문 리뷰] Giant Number Fluctuations in Self-Propelled Particles with no Alignment

Yaouen Fily, M. Cristina Marchetti|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 23.

Micro and Nano Robotics인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 정렬 상호작용이 없고 등방성 반발력 및 회전 소음이 있는 자가 추진极성 디스크 시스템을 조사하여, 자가 추진으로 비평형 상태로 유지되는 활성 시스템에서 단절적 상분리와 거대한 수의 변동성이 정렬이 없더라도 일반적으로 발생함을 보여준다. 결과는 이러한 행동이 국소적으로 구동되는 활성 물질의 보편적 특성임을 드러내며, 극성 질서에 의존하지 않는다.

ABSTRACT

We study numerically and analytically a model of self-propelled polar disks on a substrate in two dimensions. The particles interact via isotropic repulsive forces and are subject to rotational noise, but there is no aligning interaction. As a result, the system does not exhibit an ordered state. The isotropic fluid phase separates well below close packing and exhibits the large number fluctuations and clustering found ubiquitously in active systems. Our work shows that this behavior is a generic property of systems that are driven out of equilibrium locally, as for instance by self propulsion.

연구 동기 및 목표

• 극성 질서가 없는 활성 물질 시스템에서 군집화와 거대한 수의 변동성이 어떻게 발생하는지 이해하기 위해.
• 등방성 상호작용과 자가 추진만으로도 2차원 활성 시스템에서 상분리를 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 관측된 변동성이 극성 질서에 관계없이 국소적 비평형 구동의 일반적인 결과인지 확인하기 위해.
• 방향성 정렬 없이도 집단적 행동를 보이는 활성 물질의 최소 모델을 수립하기 위해.

제안 방법

• 등방성 반발력 상호작용를 갖는 2차원 기질 위에서 자가 추진 극성 디스크의 수치 시뮬레이션.
• 정렬 상호작용 없이 확률적 재정렬을 모델링하기 위해 회전 소음을 포함.
• 거대한 수의 변동성 기원을 이해하기 위해 시스템의 유체역학적 거동에 대한 분석 모델링.
• 입자 밀도 프로파일과 수의 변동 통계를 이용한 시스템의 상 행동 연구.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 간 정렬 상호작용이 전혀 없을 때 상분리와 거대한 수의 변동성이 활성 시스템에서 발생할 수 있는가?
• RQ2 자기 추진력과 등방성 반발력이 대규모 군집화와 비평형 변동을 어떻게 유도하는가?
• RQ3 관측된 행동이 극성 질서에 관계없이 국소적으로 구동되는 활성 시스템의 일반적 특성인가?
• RQ4 등방성 상호작용과 회전 소음만으로도 활성 물질에서 거시적 이질성이 어떻게 발생하는가?

주요 결과

• 정렬 상호작용가 없음에도 불구하고, 밀도가 높은 군집과 희박한 영역으로의 상분리가 밀도가 밀접하게 배열된 상태 이하에서도 발생한다.
• 유체상에서 거대한 수의 변동성이 관측되어 강한 거시적 이질성을 나타낸다.
• 군집화와 큰 변동성은 방향성 질서가 아니라 자가 추진으로 인한 국소적 비평형 구동 덕분에 지속된다.
• 행동는 국소적으로 비평형 상태로 구동되는 시스템에 대해 일반적인 특성이며, 등방성 상호작용를 갖는 활성 물질 전반에 적용 가능함을 시사한다.