[논문 리뷰] Nonequilibrium Glass Transition in Mixtures of Active-Passive Particles

Huai Ding, Mengkai Feng외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 09.

Material Dynamics and Properties인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 활성-비활성 경질구 혼합계에 대한 모드 결합 이론(MCT)을 개발하여, 입자 활성이 유리체 전이를 더 높은 부피분율로 이동시킴을 보여준다. 핵심적으로는 비단조화적이고 재진입하는 유리 전이가 존재함을 밝혀내는데, 활성이 증가함에 따라 유리상이 처음에는 녹아나가지만 고도의 활성 상태에서는 캐이징이 아닌 활성에 의해 유도된 군집화로 인해 동적 정지가 재등장한다.

ABSTRACT

We develop a mode coupling theory(MCT) to study the nonequilibrium glass transition behavior of a mono-disperse mixture of active-passive hard-sphere particles. The MCT equations clearly demonstrate that the glass transition is shifted to higher values of total volume fraction when doping a passive system with active particles. Interestingly, we find that the glass transition point may show a non-monotonic dependence on the effective diffusivity of the active component, indicating a nontrivial type of activity induced reentrance behavior. Analysis based on the nonergodic parameters suggest that the glassy state at small activity is due to the caging effect, while that at high activity could result from activity induced dynamic clustering.

연구 동기 및 목표

• 비평형 유리 전이에 대한 미시적 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 농축된 분산계에서 입자 활성도와 조성의 변화가 유리 전이 경계에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 활동 정지의 기초 메커니즘인 캐이징 대비 군집화를 이해하기 위해.
• 활동에 의해 유도된 상분리가 혼합계에서 새로운 유리상 상태를 유도할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 활성 입자를 강화된 확산 운동으로 모델링하기 위해 효과적 확산도를 포함한 일반화된 스몰وخ프스키 방정식을 수립한다.
• 모리-츠반직 프로젝션 형식을 적용하여 밀도 상관 함수에 대한 닫힌 방정식을 유도한다.
• 활성 및 비활성 경질구의 이성분 혼합계에 대한 모드 결합 이론(MCT) 방정식을 유도한다.
• 비에르고딕 파라미터를 사용하여 캐이징 지배 유리상과 군집화 지배 유리상 간의 차이를 구분한다.
• 유리 전이 부피분율 φc 가 활성도(λa)와 활성 입자 수분율(xa)에 따라 어떻게 변화하는지 분석한다.
• 다양한 활성도 수준과 조성에서의 거동를 비교하여 재진입 현상을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 활성이 활성-비활성 혼합계에서 유리 전이 부피분율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 활동도를 증가시키면 시스템이 녹아나갔다가 다시 정지하는 재진입 유리 전이가 발생할 수 있는가?
• RQ3 고도의 활성 상태에서 동적 정지를 이끄는 물리적 메커니즘은 캐이징인지 군집화인지?
• RQ4 활성 입자 수분율이 재진입 행동의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 재진입 유리 전이는 순수한 활성 시스템에서는 관찰되지 않는 혼합계의 고유한 특성인가?

주요 결과

• 비활성 시스템에 활성 입자를 도핑하면 전체 부피분율이 더 높은 곳에서 유리 전이가 발생한다.
• 비단조화적이고 재진입하는 유리 전이가 관찰된다: 활성이 증가함에 따라 유리성은 처음에는 억제되지만 고활동도에서는 다시 회복된다.
• 작은 활성도에서는 동적 정지가 캐이징에 의해 발생하지만, 높은 활성도에서는 활성에 의해 유도된 입자 군집화에 의해 발생한다.
• 고활동도 상태에서는 큰 k에서는 비에르고딕 파라미터 f_k^a가 거의 0이지만 작은 k에서는 비영이므로, 소규모 스케일에서는 유체처럼 움직이고 대규모 구조는 굳어져 있음을 나타낸다.
• 활성 분율 xa 가 임계값을 초과하면 재진입 행동이 억제되고, 순수한 활성 시스템에서는 φc 가 약 0.65에 포화된다.
• 재진입 전이는 활성-비활성 혼합계의 특수한 특성이며 순수한 활성 시스템에서는 관찰되지 않는다.