[논문 리뷰] Hydrodynamic interactions can induce jamming in flow-driven systems

Cereceda-L\'opez, Eric, Lips, Dominik외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 11.

Micro and Nano Robotics인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 유체역학적 상호작용(HIs)이 힘으로 구동되는 운반과는 달리 유동으로 구동되는 콜로이드계에서 막힘을 유도할 수 있음을 보여준다. 회전하는 광학 트랩을 사용해 소용루 형태의 유동장을 생성함으로써 실험과 이론적 분석을 통해 HIs가 효과적인 잠금 장벽을 증가시켜 고밀도에서 입자 전류를 감소시킴을 밝혀내었으며, 이는 유동으로 구동되는 운반에서 일반적인 막힘 메커니즘을 드러낸다.

ABSTRACT

Hydrodynamic interactions between fluid-dispersed particles are ubiquitous in soft matter and biological systems and they give rise to intriguing collective phenomena. While it was reported that these interactions can facilitate force-driven particle motion over energetic barriers, here we show the opposite effect in a flow-driven system, i.e. that hydrodynamic interactions hinder transport across barriers. We demonstrate this result by combining experiments and theory. In the experiments, we drive colloidal particles using rotating optical traps, thus creating a vortex flow in the corotating reference frame. We observe a jamming-like decrease of particle currents with density for large barriers between traps. The theoretical model shows that this jamming arises from hydrodynamic interactions between the particles. The impact of hydrodynamic interactions is reversed compared to force-driven motion, suggesting that our findings are a generic feature of flow-driven transport.

연구 동기 및 목표

• 유동으로 구동되는 입자 운반에서 유체역학적 상호작용(HIs)의 역할을 조사하며, 힘으로 구동되는 시스템에서 알려진 영향과 대비한다.
• 주기적이고 폐쇄된 기하구조에서 잘 정의된 유동장을 생성하기 위해 회전하는 광학 트랩을 사용한 제어 가능한 실험 설정을 설계한다.
• 입자 밀도와 잠금 장벽 높이에 따라 입자 전류의 막힘 유사 행동을 관찰하고 정량화한다.
• 관측된 막힘 현상을 HIs가 효과적인 잠금 장벽을 증가시켜 유도한다는 이론적 모델을 개발한다.
• 이 HIs에 의해 유도된 막힘 현상이 잠금 장벽의 비완전성과 무관하게 흐름에 의해 구동되는 운반의 일반적인 특성임을 입증한다.

제안 방법

• 회전하는 참조 기준 프레임에서 시간에 따라 변하는 소용루 형태의 유동장을 생성하기 위해 회전하는 광학 트랩을 사용하여 유동으로 구동되는 운반을 시뮬레이션한다.
• 조절 가능한 장벽 높이를 가지는 27개의 등간격으로 배열된 고리형 광학 트랩을 사용하며, 레이저 강도 조절을 통해 장벽 높이를 제어한다.
• 고속 CMOS 현미경을 사용해 입자 운동을 측정하고, Crocker-Grier 추적 기법을 적용해 평균 제곱 이동과 속도를 추출한다.
• 실험 데이터를 시간에 따라 변하는 잠금 장벽 모델 Uϕ(ϕ,t) = U₀/2 [1 + ξ sin(ϕ + ωt)] cos(Ntrϕ)에 맞추어, 진폭 조절과 장벽 높이를 기록한다.
• 유체역학적 상호작용(HIs)을 고려한 브라운 운동 시뮬레이션(오센 텐서를 통한)을 수행하여 실험 결과와 모델의 타당성을 검증한다.
• 기본도(diagram, 전류 대 밀도)를 분석하여 막힘 전이를 식별하고 HIs의 영향을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유체역학적 상호작용은 힘으로 구동되는 시스템에서의 유리한 역할과는 반대로, 유동으로 구동되는 입자 운반에서 막힘을 유도하는가?
• RQ2 유체역학적 상호작용은 유동으로 구동되는 시스템에서 효과적인 잠금 장벽을 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 입자 밀도가 주기적인 잠금 장벽이 있는 유동으로 구동되는 시스템에서 전류에 어떤 영향을 미치며, 이로 인해 막힘 전이가 발생하는가?
• RQ4 관측된 막힘 현상이 외부 노이즈나 잠금 장벽의 비완전성 외에 유체역학적 상호작용에 의해만 기인하는가?
• RQ5 막힘 효과는 다양한 장벽 높이와 입자 밀도에서 견고하게 유지되며, AOD에 의해 유도된 잠금 장벽 조절에도 지속되는가?

주요 결과

• 실험적으로 유동으로 구동되는 시스템에서 입자 밀도가 증가함에 따라 HIs가 막힘 유사 현상을 유도하며 전류가 감소하는 것을 관측하였다.
• 막힘 현상은 HIs가 효과적인 잠금 장벽을 증가시켜 입자가 통과하는 데 드는 에너지 비용을 증가시킴으로써 발생한다.
• 유체역학적 결합으로 인해 입자 밀도가 증가함에 따라 효과적인 장벽 높이가 증가하여 전류-밀도 관계가 비단조화적이게 된다.
• 실험적 전류-밀도 데이터는 HIs를 포함한 브라운 운동 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보이며, 이 메커니즘이 확인되었다.
• HIs의 영향은 힘으로 구동되는 운반과는 정반대이다: 힘으로 구동되는 경우 HIs는 장벽를 극복하는 데 도움을 주지만, 유동으로 구동되는 경우 HIs는 운반을 저해한다.
• 막힘 효과는 AOD에 의해 유도된 잠금 장벽 조절이 있더라도 견고하게 유지되며, 이는 실제 비완전한 시스템에도 적용 가능함을 시사한다.