[논문 리뷰] Pattern formation in colloidal mixtures under external driving fields

Joachim Dzubiella, Hartmut Loewen|2002. 08. 06.

Material Dynamics and PropertiesMaterials Science참고 문헌 45인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 비균형 브라운 운동 시뮬레이션과 단순한 이론 모델을 사용하여 비균일한 외부 구동장이 작용하는 이성분 콜로이드 혼합계에서 패턴 형성 현상을 조사한다. 비평행한 힘은 힘의 차이 벡터에 따라 기울어진 레인 구조를 유도하는 반면, 결정상의 필드 없는 상태에서 평행한 힘이 작용하면 재entrant 융해-재결정화 전이가 발생하여 미끄러지는 분리된 결정상 레인으로 전이된다.

ABSTRACT

The influence of an external field acting differently on the two constituents of a binary colloidal mixture performing Brownian dynamics is investigated by computer simulations and a simple theory. In our model, one half of the particles ($A$-particles) are pulled by an external force ${\vec F}^{(A)}$ while the other half of them ($B$-particles) are pulled by an external force ${\vec F}^{(B)}$. If ${\vec F}^{(A)}$ and ${\vec F}^{(B)}$ are parallel and the field-free state is a mixed fluid, previous simulations (J. Dzubiella et al, Phys. Rev. E {\bf 65} 021402 (2002)) have shown a nonequilibrium pattern formation involving lanes of $A$ or $B$ particles only which are sliding against each other in the direction of the external forces. In this paper, we generalize the situation both to non-parallel external forces and to field-free crystalline states. For non-parallel forces, lane formation is also observed but with an orientation {\it tilted} with respect to the external forces. If the field-free state is crystalline, a continuous increase of the parallel external forces yields a novel {\it reentrant freezing} behavior: the crystal first melts mechanically via the external force and then recrystallizes into demixed crystalline lanes sliding against each other.

연구 동기 및 목표

• 비평행 외부 힘이 작용할 때 평행 힘의 경우를 초월하여 이성분 콜로이드 혼합계에서 패턴 형성이 어떻게 유도되는지 이해하는 것.
• 외부 필드가 필드 없는 결정상 상태에 미치는 영향을 조사하며, 특히 기계적 융해와 재결정화의 발생을 다루는 것.
• 유체 레인 형성에 관한 이전 결과를 결정상 기저 상태와 비평행 구동장이 작용하는 시스템으로 일반화하는 것.
• 제어 가능한 외부 필드를 사용하여 콜로이드 분산계와 보행자 동역학에서의 실험적 실현 가능성을 제안하는 것.
• 유체역학적 상호작용과 대체 필드 구성(예: 진동하는 필드)이 레인 패턴의 안정성에 미치는 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• 유다이드 포텐셜을 통해 동일한 상호작용을 가지는 A 및 B 입자로 구성된 2차원 이성분 콜로이드 혼합계를 과다황량 브라운 운동을 사용하여 시뮬레이션한다.
• A 및 B 입자에 각각 다른 외부 힘 F^(A) 및 F^(B)를 적용하여 외부 필드에 대한 차별화된 반응을 모델링한다.
• 추가적인 백색 잡음이 포함된 랑주뱅 방정식을 사용하여 입자 운동을 기술하며, 완전한 과다황량 조건을 가정하고 유체역학적 상호작용을 무시한다.
• 다양한 힘 크기와 방향에서 유체상 및 결정상의 필드 없는 상태에서 시뮬레이션을 수행한다.
• 스냅샷과 질서 매개변수를 통한 구조적 진화 분석을 통해 레인 형성, 융해 및 재결정화 전이를 식별한다.
• 현상론적 이론과 결과를 비교하고, 침강하는 콜로이드나 보행자 유동과 같은 실험계에 대한 함의를 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비평행 외부 구동장이 이성분 콜로이드 혼합계에서 레인 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 필드 없는 결정상 상태에 점차 증가하는 평행 외부 힘이 작용할 때 어떤 구조적 전이가 발생하는가?
• RQ3 외부 필드에서 기계적 일로 인해 융해 후 재결정화가 일어나는 재entrant 상전이가 유도될 수 있는가?
• RQ4 비평행한 경우에서 결과적으로 형성된 레인의 방향은 외부 힘 벡터에 대해 어떻게 되는가?
• RQ5 예측된 패턴은 콜로이드 시스템이나 보행자 동역학에서 어떻게 실험적으로 실현될 수 있는가?

주요 결과

• 비평행 외부 힘의 경우, 레인은 F^(B) - F^(A) 벡터에 따라 정렬되며, 개별 힘 방향에 대해 기울어진 레인을 형성한다.
• 필드 없는 결정상 상태에서 평행 외부 힘을 점차 증가시키면 기계적 융해가 유도되고, 이어 분리된 A- 및 B-rich 결정상 레인으로 재entrant 재결정화가 발생한다.
• 재결정화된 상태는 완전히 분리된 결정상 레인을 가지며, 이는 서로 미끄러지면서 움직인다. 이는 유체상 레인 상태와 유사하지만 고체상에서 발생한다.
• 레인 형성의 임계 힘은 유다이드 포텐셜에서의 일반적인 상호작용 힘과 외부 힘을 비교하여 추정할 수 있다.
• 모델에서는 유체역학적 상호작용를 고려하지 않았지만, 장거리 유속장으로 인해 레인 형성에 필요한 임계 필드 강도가 낮아질 것으로 예상된다.
• 이 모델은 교차 필드(예: 중력과 전기장) 하에서의 콜로이드 분산계나 방향성 흐름 레인을 가지는 보행자 동역학에서 실험적으로 검증 가능한 현상을 예측한다.