[논문 리뷰] Metamaterials for Active Colloid Transport

Shahrzad Yazdi, Juan L. Aragones외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 16.

Micro and Nano Robotics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 시간에 따라 변하는 스핀 진폭과 격자 대칭성의 조절을 통해 활성 스핀 입자를 정밀하고 조절 가능한 방식으로 제어할 수 있는 동적 메타물질 시스템을 제안한다. 이 두 매개변수를 결합함으로써 1차원 또는 2차원 격자에서 단방향, 비탄성 운동을 달성하며, 대칭성 보호 및 조절 가능한 운동 영역을 보여주며, 마이크로플루이디크스 및 마이크로로봇 기술에 응용 가능성이 있다.

ABSTRACT

Transport phenomena in out-of-equilibrium systems is immensely important in a myriad of applications in biology, engineering and physics. Complex environments, such as the cytoplasm or porous media, can substantially affect the transport properties of such systems. In particular, recent interest has focused on how such environments affect the motion of active systems, such as colloids and organisms propelled by directional driving forces. Nevertheless, the transport of active matter with non-directional (rotational) activity is yet to be understood, despite the ubiquity of rotating modes of motion in synthetic and natural systems. Here, we report on the discovery of spatiotemporal metamaterial systems that are able to dictate the transport of spinning colloids in exquisite ways based on solely two parameters: frequency of spin modulation in time and the symmetry of the metamaterial. We demonstrate that dynamic modulations of the amplitude of spin on a colloid in lattices with rotational symmetry give rise to non-equilibrium ballistic transport bands, reminiscent of those in Floquet-Bloch systems. By coupling these temporal modulations with additional symmetry breaking in the lattice, we show selective control from 4-way to 2-way to unidirectional motion. Our results provide critical new insights into the motion of spinning matter in complex (biological) systems. Furthermore, our work can also be used for designing systems with novel and unique transport properties for application in, for example, smart channel-less microfluidics, micro-robotics, or colloidal separations.

연구 동기 및 목표

• 비방향성(회전 운동) 활성도를 갖는 입자들이 구조화된 비평형 환경과 어떻게 상호작용하는지 이해하는 것.
• 합성 및 생물학적 시스템에서 널리 존재하는 스핀 입자들에서도 운동 제어의 부족 문제를 해결하는 것.
• 시간에 따른 조절과 공간 대칭성을 활용하여 활성 스핀 입자의 선택적이고 방향성 있는 운동을 설계할 수 있는 메타물질을 개발하는 것.
• 플로케트-블로흐 체계의 원리를 활성 물질로 확장하여, 부상하는 운동 상태를 제어할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 뉴턴 유체 내 2차원 주기적 패턴의 기둥 배열을 사용하여 스핀 입자를 제한하고, 제어 가능한 각속도로 스핀을 유도한다.
• 유체역학적 힘(반발력 및 접선력)과 전기적 힘을 모델링하여 입자에 작용하는 합력장을 결정한다.
• 스핀 진폭의 시간적 조절을 통해 격자 내 결합 상태를 하이브리드화함으로써 비평형 운동 밴드를 생성한다.
• Y-이동 또는 XY-이동된 격자를 통해 회전 대칭성을 깨면 비탄성 궤적을 열 수 있다.
• 스핀 속도(Ω)의 진폭 조절을 통해 대칭성 깨짐이 있는 격자에서 운동 방향(양의 또는 음의 x방향)을 선택적으로 제어한다.
• 열적 불확실성을 제거하기 위해 고 페클레 수(Pe → ∞) 조건에서 시뮬레이션을 수행하여 결정론적 운동에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 진폭의 시간적 조절과 격자 대칭성을 어떻게 조합하여 스핀 입자의 운동을 제어할 수 있는가?
• RQ2 회전 대칭성이 활성 물질에서 강건한 대칭성 보호 비탄성 운동을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 격자 내 뒤집힘 대칭성의 붕괴가 스핀 입자에서 단방향 운동을 선택적으로 유도하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 활동도 조절과 격자 기하학의 상호작용이 어떻게 선택적 운동 영역(예: 4방향, 2방향, 단방향)을 이끌어내는가?
• RQ5 이 시스템이 다른 비틀림 또는 스핀 운동을 갖는 활성 시스템으로 일반화될 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 회전 대칭성이 유지된 격자에서 스핀 진폭의 시간적 조절은 비평형 비탄성 운동 밴드의 출현을 유도하며, 플로케트-블로흐 상태와 유사하다.
• Y-이동 및 XY-이동된 격자에서는 회전 대칭성이 깨지면서 진폭 조절 없이도 비탄성 궤적을 열 수 있으며, 이는 강건한 1차원 운동을 가능하게 한다.
• 회전 대칭성이 깨지면 운동 자유도가 한 개의 차원(예: x방향)으로 감소하여 운동이 직선으로 제한된다.
• XY-이동된 격자에서 뒤집힘 대칭성을 깨고 스핀 진폭을 조절함으로써, 조절의 위상 τ에 따라 운동 방향(양의 또는 음의 x방향)을 선택적으로 제어할 수 있다.
• 조절 주파수와 격자 대칭성에 따라 명확한 의존성을 보이며, 입자 운동을 프로그래밍 가능한 방식으로 제어할 수 있다.
• 스피너의 비탄성 운동은 양자 홀 효과의 표면 상태와 유사하여, 활성 물질에서의 위상적 운동과 깊은 관련이 있음을 시사한다.