[논문 리뷰] Non-equilibrium phases in suspensions of self-propelled colloidal particles controlled by phoretic mobility and hydrodynamics

Andrea Scagliarini, Ignacio Pagonabarraga|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 12.

Micro and Nano Robotics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 완전히 해상력 있는 유체역학을 갖춘 미시적 방법을 사용하여 자가 추진 콜로이드 분산계를 조사하며, 페로티크 이동도가 음수일 때 클러스터 상으로의 전이가 발생함을 밝혀냈다. 클러스터 크기는 활동성에 비례하여 선형적으로 증가하고, 지수 분포를 따르며, 유체역학은 클러스터 형태와 성장 동역학에 강한 영향을 미친다.

ABSTRACT

We study the collective dynamics of suspensions of self-propelled diffusiophoretic colloids, in (quasi)-2d configurations, by means of a novel mesoscopic method featuring fully resolved hydrodynamics. We show that the system displays a transition when changing the sign of the phoretic mobility (which accounts for the colloid-solute interactions) and, for negative values, it develops a cluster phase. We find that the cluster size distribution follows an exponential behaviour, with a characteristic size growing linearly with the colloid activity, while the density uctuations grow as a power-law with an exponent depending on the cluster fractal dimension. Our simulations indicate that hydrodynamics plays a relevant role in the aggregation kinetics, cluster morphology and significantly hinders the cluster growth.

연구 동기 및 목표

• 자기 추진 콜로이드의 집단적 행동을 결정짓는 페로티크 이동도의 부호가 가지는 역할을 이해한다.
• 2차원 분산계에서 유체역학이 응집 동역학과 클러스터 형태에 미치는 영향을 조사한다.
• 비평형 상에서 클러스터 크기와 밀도 변동의 통계적 성질을 특성화한다.
• 콜로이드 활동성이 클러스터 크기 분포와 성장 역학에 미치는 영향을 규명한다.

제안 방법

• 2차원 분산계에서 유체역학적 상호작용을 완전히 해상력 있게 구현한 새로운 미시적 시뮬레이션 방법을 사용한다.
• 용질-콜로이드 상호작용을 포착하기 위해 확산형 페로티크 이동도를 사용하여 자기 추진 콜로이드를 모델링한다.
• 다양한 페로티크 이동도 부호와 콜로이드 활동 수준을 갖춘 시스템을 시뮬레이션한다.
• 크기 분포와 밀도 변동 통계를 통해 클러스터 형성을 분석한다.
• 클러스터 크기와 밀도 변동 스케일링을 특성화하기 위해 등급법 및 지수함수 피팅을 사용한다.
• 비유체역학적 극한과 비교하여 유체역학이 클러스터 성장에 미치는 영향을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페로티크 이동도의 부호를 뒤집을 경우 자기 추진 콜로이드의 집단적 역학은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 음수 페로티크 이동도 영역에서 클러스터 크기 분포는 콜로이드 활동에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 유체역학적 상호작용은 클러스터 형태와 성장 동역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 밀도 변동에서 나타나는 스케일링 행동은 무엇이며, 이는 클러스터의 분수차원과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 비유체역학적 상황과 비교할 때 유체역학은 클러스터 성장에 얼마나 강하게 저항하는가?

주요 결과

• 페로티크 이동도가 음수일 때 클러스터 상으로의 전이가 발생하며, 이는 상호작용 부호의 결정적 역할을 시사한다.
• 클러스터 크기 분포는 지수 감쇠를 따르며, 특징적인 클러스터 크기는 콜로이드 활동성에 비례하여 선형적으로 증가한다.
• 밀도 변동은 거듭제곱 법칙으로 스케일링되며, 이 지수는 클러스터의 분수차원에 의존한다.
• 유체역학은 클러스터 성장에 상당히 저항하며, 응집 동역학을 느리게 하고 형태를 변화시킨다.
• 해상력 있는 유체역학의 존재는 비유체역학적 경우에 비해 더 단단하고 덜 조밀한 클러스터를 이끈다.
• 시스템은 활동성과 유체역학적 결합이 상 형성에 지배적인 비평형 행동를 나타낸다.