[논문 리뷰] Perspective: Nonequilibrium glassy dynamics in dense systems of active particles

Ludovic Berthier, Elijah Flenner외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 22.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 111인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 농축된 활성 물질 시스템에서 자가 추진력과 혼잡도 간의 경쟁으로 인해 평형 상태가 아닌 유리 상태의 거동가 역학을 검토한다. 자가 추진력이 혼잡도와 경쟁함으로써 유리 전이와 유사한 동적 정지가 발생한다. 저자는 열적 영향이 없는 최소한의 모델인 비열적 활성 옴스테인-울렌벡 입자(AOUPs)와 활성 브라운 운동 입자를 사용하여, 활성 동역학이 일반적으로 비평형 유리 전이를 유도함을 보여주며, 정적 및 동적 상관관계를 기록하기 위해 모드-결합 이론과 평균장 접근법을 확장한 이론적 프레임워크를 제시한다.

ABSTRACT

Despite the diversity of materials designated as active matter, virtually all active systems undergo a form of dynamic arrest when crowding and activity compete, reminiscent of the dynamic arrest observed in colloidal and molecular fluids undergoing a glass transition. We present a short perspective on recent and ongoing efforts to understand how activity competes with other physical interactions in dense systems. We first review recent experimental work on active materials that uncovered both classic signatures of glassy dynamics and intriguing novel phenomena at large density. We introduce a minimal model of self-propelled particles where the competition between interparticle interactions, crowding, and self-propulsion can be studied in great detail. We discuss more complex models that include some additional, material-specific ingredients. We end with some general perspectives on dense active materials, suggesting directions for future research, in particular for theoretical work.

연구 동기 및 목표

• 농축된 활성 시스템에서 활성성, 혼잡도, 입자 간 상호작용이 어떻게 상호작용하여 동적 정지를 유도하는지 이해하기.
• 평형 유리 이론과 활성 물질 간 격차를 메우기 위해 비평형 이론적 프레임워크를 활성 시스템으로 확장하기.
• 활성 유리 상태의 거동에서의 일반적인 특성들을 규명하고, 활성성이 0인 극한 조건에서의 정체 전이와 구별하기.
• 기존 이론의 타당성을 평가하고 주요 열린 과제를 규명함으로써 향후 이론적 및 시뮬레이션 연구를 이끌어내기.
• 외부 힘에 의해 구동되는 활성 시스템에서 유동성 유리 또는 유동성 결정 상태와 같은 새로운 상태가 존재할 수 있는지 탐색하기.

제안 방법

• 최소한의 모델 사용: 자가 추진력과 혼잡도의 영향을 분리하기 위해 비열적 활성 옴스테인-울렌벡 입자(AOUPs)를 사용.
• 모드-결합 이론(MCT)과 평균장 p-spin 접근법을 적용하여 활성 시스템에서 비평형 유리 전이를 예측.
• 동적 밀도 함수 이론(DDFT)을 수정하여 활성 힘과 비평형 정적 상관관계를 포함.
• 정적 구조가 알려져 있는 이론과 자가 추진력의 시간에 따른 진화를 자가 일관적으로 계산하는 이론을 비교.
• '임시 통합'(ITT) 방법을 사용하여 활성 구동 조건 하에서의 정 steady 상태 동역학을 모델링.
• 시뮬레이션과의 비교를 통해 이론의 정량적 검증을 수행하며, 모드-결합 방정식에 측정된 정적 상관관계를 입력 자료로 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열적 소음이 없는 조건에서도 농축된 활성 시스템에서 비평형 유리 전이를 일반적으로 예측할 수 있는가?
• RQ2 활성 자가 추진력은 평형 유리 형성체에서 관찰되는 케이징과 동적 이질성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비평형 정적 상관관계는 활성 물질에서 유리 상태의 안정성 또는 불안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 어떤 조건에서 활성 시스템에서 유동성 유리 또는 유동성 결정 상태가 나타날 수 있는가?
• RQ5 다양한 이론적 프레임워크(MCT, p-spin, RFOT 등)는 활성 시스템에서 동적 정지의 시작을 어떻게 비교하여 예측하는가?

주요 결과

• 비평형 유리 전이는 농축된 활성 시스템의 일반적인 특성으로, 모드-결합 이론과 평균장 접근법을 포함한 여러 이론적 프레임워크에 의해 예측된다.
• 비열적 AOUPs와 활성 브라운 운동 입자를 기반으로 한 이론 모델들은 자가 추진력과 혼잡도 간의 경쟁으로 인한 동적 정지 전이를 일관되게 예측한다.
• 자기 추진력의 시간 진화와 비평형 정적 상관관계를 모두 포함한 이론들—예를 들어 Szamel(2015, 2016)과 Voigtmann(2017)의 연구—는 올바른 물리적 메커니즘을 잘 묘사할 잠재력을 보인다.
• 활성 동역학은 평형 유리 형성체와 유사한 두 단계의 리라크스와 뚜렷한 동적 이질성을 유도하지만, 비평형 특징을 띤다.
• 이론적 예측에 따르면 기계적 또는 활성 구동은 유리 전이를 미세하게 변화시킬 수 있으며, 일부 경우에서는 억제할 수도 있다.
• 측정된 정적 상관관계를 모드-결합 방정식의 입력 자료로 사용하여 시뮬레이션 기반 검증을 수행하는 것은 정확성과 예측 능력을 높이기 위한 핵심적인 다음 단계이다.