[논문 리뷰] Phase separation and coarsening in active matter

Giuseppe Gonnella, Davide Marenduzzo외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 08.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 62인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 자발적으로 상호작용력이 없는 자기 추진 입자들이 비평형 에너지 소비로 인해 자율적으로 군집을 형성하는 활성물질에서의 운동성 유도 상분리(MIPS)를 검토한다. 비평형 통계역학을 통해 MIPS를 고전적 상분리 및 군집화 이론의 틀 안에서 다루며, 지속적인 운동이 군집화를 이끄는 방식과 박테리아 집단에서 군집화 역학이 정지할 수 있는 원리를 밝힌다.

ABSTRACT

Active systems, or active matter, are self-driven systems which live, or function, far from equilibrium - a paradigmatic example which we focus on here is provided by a suspension of self-motile particles. Active systems are far from equilibrium because their microscopic constituents constantly consume energy from the environment in order to do work, for instance to propel themselves. The nonequilibrium nature of active matter leads to a variety of non-trivial intriguing phenomena. An important one which has recently been the subject of intense interest among biological and soft matter physicists is that of the so-called phase whereby self-propelled particles accumulate into clusters in the absence of any explicit attractive interactions between them. Here we review the physics of motility-induced phase separation, and discuss this phenomenon within the framework of the classic physics of phase separation and coarsening. We also discuss theories for bacterial colonies where coarsening may be arrested. Most of this work will focus on the case of run-and-tumble and active Brownian particles in the absence of solvent-mediated hydrodynamic interactions - we will briefly discuss at the end their role, which is not currently fully understood in this context.

연구 동기 및 목표

• 자기조직화를 통해 상호작용력 없이 군집을 형성하는 활성물질 시스템에서의 상분리 메커니즘을 이해하는 것.
• 고전적 상분리 및 군집화 이론의 이론적 틀 안에서 운동성 유도 상분리를 정립하는 것.
• 균형 시스템에서 일반적인 군집화 역학이 활성 시스템, 예를 들어 박테리아 집단에서 어떻게 정지될 수 있는지 조사하는 것.
• 유체역학적 상호작용이 없는 조건에서 러닝-탬블 및 활성 브라운 운동 역학이 상분리를 어떻게 이끄는지 검토하는 것.
• 활성물질에서 용매에 의해 매개되는 유체역학적 상호작용이 상분리에 미치는 영향에 대한 열린 질문들을 부각하는 것.

제안 방법

• 활성 시스템의 입자 역학을 분석하기 위해 비평형 통계역학의 프레임워크를 채택하는 것.
• 직접적인 입자 간 상호작용이 없는 조건에서 러닝-탬블 또는 활성 브라운 운동을 사용해 자기 추진 입자를 모델링하는 것.
• 상분리의 발생과 진화를 기술하기 위해 평균장 이론과 유체역학 이론을 적용하는 것.
• 활성물질의 상분리와 균형 시스템의 고전적 상분리를 유사시켜 비교하는 것.
• 군집화 과정과 그가 박테리아 집단 모델에서 정지할 수 있는 가능성을 기술하기 위해 거시적 유체역학 방정식을 사용하는 것.
• 상분리 역학 조절에 있어 유체역학적 상호작용의 해결되지 않은 역할을 간략히 고려하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기 추진력과 입자 간 상호작용이 없음에도 불구하고 활성물질에서 상분리가 발생하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 활성 입자의 비평형 성격이 자발적인 군집화 및 상분리를 어떻게 이끄는가?
• RQ3 운동성 유도 상분리의 역학은 어느 정도까지 고전적 상분리 및 군집화 이론으로 기술될 수 있는가?
• RQ4 박테리아 집단과 같은 활성 시스템에서 군집화 과정이 정지되는 요인들은 무엇인가?
• RQ5 유체역학적 상호작용은 활성물질에서 군집의 안정성과 형상에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 운동성 유도 상분리는 입자의 자기 추진력과 입자 간 반발력의 상호작용에 기인하여 직접적인 상호작용 없이도 자발적인 군집화를 초래한다.
• 상분리는 입자 밀도와 활동성 기울기가 효과적인 분리를 유도하는 비평형 정 steady 상태에 의해 주도된다.
• 활성물질에서의 군집화 역학은 균형 시스템과 유사한 패tern을 따르며, 영역 크기가 시간이 지남에 따라 증가한다.
• 박테리아 집단 모델에서는 운동성, 성장 및 구속 조건의 균형으로 인해 군집화 과정이 정지되어 안정된 군집 패턴이 형성된다.
• 유체역학적 상호작용의 역할은 아직 활성 시스템에서 상분리 역학 조절에 대해 완전히 이해되지 않아 열린 문제로 남아 있다.
• 세부 균형이 없는 조건에서도 고전적 상분리 이론의 프레임워크는 활성물질 군집화를 이해하는 데 도움이 되는 유용한 유사성이다.