[논문 리뷰] Hydrodynamic effects on the liquid-hexatic transition of active colloids

Giuseppe Negro, Claudio Basilio Caporusso외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 25.

Micro and Nano Robotics인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 활성 콜로이드에서 액체-헤크세틱 전이에 미치는 유체역학적 효과를 활성 브라운 운동 입자(ABP)와 활성 유체역학 입자(AHP)의 수치 시뮬레이션을 통해 조사한다. 입자 질량을 증가시키면 질서 형성이 촉진되어 활성 불안정성에 대비하게 되며, 유체역학적 상호작용은 전반적으로 질서를 해체하고, 높은 밀도에서 자가유지 집단 운동을 가능하게 하여 전이를 더 높은 밀도로 이동시킨다.

ABSTRACT

We study numerically the role of hydrodynamics in the liquid-hexatic transition of active colloids at intermediate activity, where motility induced phase separation (MIPS) does not occur. We show that in the case of active Brownian particles (ABP), the critical density of the transition decreases upon increasing the particle's mass, enhancing ordering, while self-propulsion has the opposite effect in the activity regime considered. Active hydrodynamic particles (AHP), instead, undergo the liquid-hexatic transition at higher values of packing fraction $ϕ$ than the corresponding ABP, suggesting that hydrodynamics have the net effect of disordering the system. At increasing densities, close to the hexatic-liquid transition, we found in the case of AHP the appearance of self-sustained organized motion with clusters of particles moving coherently.

연구 동기 및 목표

• 중간 활성도에서 운동성 유도 상분리(MIPS)가 존재하지 않는 조건에서, 관성(질량 변화에 의해)이 활성 콜로이드의 액체-헤크세틱 전이에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 특히 MIPS가 존재하지 않는 조건에서, 유체역학적 상호작용이 활성 콜로이드의 상 행동을 어떻게 수정하는지 조사하는 것.
• 헤크세틱-액체 전이 근처에서 활성 유체역학 입자(AHP)에서 집단 운동과 속도 상관관계의 발생을 특성화하는 것.
• ABP와 AHP 모델 간의 유체역학과 관성의 질서 전이에 미치는 영향을 비교하는 것.

제안 방법

• 유체역학적 상호작용을 모델링하기 위해 2차원 활성 콜로이드의 수치 시뮬레이션을 다중입자 충돌 동역학(MPCD) 방법을 사용하여 수행.
• 조절 가능한 입자 질량과 자가 추진력(Péclet 수 Pe=10,20)을 갖는 활성 브라운 운동 입자(ABP)를 구현하여 관성 및 활성 시간스케일을 분리.
• 회전 확산과 유체역학적 결합을 분리하기 위해 열적 슬립 경계 조건을 도입하여, 회전 및 평행 운동을 독립적으로 제어 가능하게 함.
• ABP 운동을 유체역학장과 결합하여 활성 유체역학 입자(AHP)를 시뮬레이션함으로써, 비등방성 입자 상호작용을 허용.
• 국소 헤크세틱 질서 파라미터, 반경 방향 분포 함수, 공간 속도 상관 함수를 측정하여 구조적 및 동적 전이 분석.
• 시뮬레이션 중 ABP와 AHP 모델 간 전환을 통해 유체역학의 영향이 질서 형성과 유동 패턴에 미치는 영향을 고립함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 질량을 증가시키면 활성 콜로이드에서 액체-헤크세틱 전이의 임계 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 중간 활성도에서 유체역학적 상호작용이 활성 콜로이드의 질서 전이에 미치는 총합 효과는 무엇인가?
• RQ3 활성 유체역학 입자(AHP)에서 자가유지 집단 운동은 어느 밀도에서 나타나는가?
• RQ4 AHP 시스템에서 헤크세틱-액체 전이 근처에서 공간 속도 상관관계는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 비유체역학적 활성 입자와 비교할 때, 유체역학은 정렬 질서를 억제하거나 강화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 입자 질량을 증가시키면 액체-헤크세틱 전이의 임계 밀도가 감소하며, 이는 관성이 질서 형성을 촉진하고 자가 추진력에 의한 질서 해체 효과를 상쇄함을 시사한다.
• ABP와 비교할 때, 유체역학적 상호작용은 액체-헤크세틱 전이를 더 높은 밀도로 이동시키며, 이는 유체역학이 정렬 질서에 대해 총합으로 질서 해체 효과를 미친다는 것을 나타낸다.
• φ ≈ 0.720 이상의 밀도에서 AHP 시스템은 단방향 유동을 동반한 자가유지 집단 운동을 나타내며, 속도 상관 함수의 감쇠가 지수함수에서 멱함수로 전이됨을 관찰했다.
• φ ≈ 0.720 이하에서는 국소 정렬 질서 없이 일시적인 소용돌이가 속도장에 나타나며, 이는 유체역학적 상관관계가 집단 운동 이전에 발생함을 시사한다.
• AHP 시스템에서 유체역학을 끈 뒤에도 전역 헤크세틱 질서 파라미터는 느리게 지속적으로 증가하며, 이는 유체역학이 완전한 질서 형성을 저해함을 확인한다.
• AHP 시스템의 전이 임계 밀도는 ABP보다 높으며, 지속적인 유체역학적 변동으로 인해 시스템은 변동성이 크고 부분적으로 질서가 형성된 상태를 유지한다.