[논문 리뷰] Structure and mechanics of active colloids

M. Cristina Marchetti, Yaouen Fily외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 01.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 55인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 내부 힘을 생성하는 자가 추진 입자인 활성 콜로이드의 구조 및 기계적 거동을 조사한다. 수치 모델링과 통계역학을 활용하여 활성화가 상분리와 잠재적 탄성의 기원을 어떻게 유도하는지 밝혀내며, 주요 발견으로 활성 응력이 비평형 구조를 안정화시키고 연성 물질의 기계적 거동을 변화시킬 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

11 pages Acknowledgments MCM thanks Xingbo Yang and Lisa Manning for their contribution to some aspects of the work reviewed here and for fruitful discussions. MCM was supported by NSF-DMR-305184. MCM and AP acknowledge support by the NSF IGERT program through award NSF-DGE-1068780. MCM, AP and DY were additionally supported by the Soft Matter Program at Syracuse University. AP acknowledges use of the Syracuse University HTC Campus Grid which is supported by NSF award ACI-1341006. YF was supported by NSF grant DMR-1149266 and the Brandeis Center for Bioinspired Soft Materials, an NSF MRSEC, DMR-1420382.

연구 동기 및 목표

• 자기 추진 입자가 활성 응력에 의해 비평형 구조로 조직화되는 방식을 이해하기 위해.
• 특히 활성이 탄성 및 상 행동을 어떻게 변화시키는지 조사하기 위해.
• 활성에 의해 유도된 응력이 연성 물질 시스템에서 나타나는 구조를 안정화시키는 역할을 규명하기 위해.
• 활성 물질의 이론 모델을 콜로이드 분산계의 실험 관측과 연결하기 위해.
• 활성 응력이 조절 가능하고 반응성이 높은 연성 물질 설계에 미치는 영향을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 지속적인 운동과 확률적 힘을 갖는 자기 추진 콜로이드를 모델링하기 위해 수치 시뮬레이션을 사용하였다.
• 비평형 안정 상태와 상 행동을 분석하기 위해 통계역학 프레임워크를 적용하였다.
• 활성 입자 운동에서 효과적 응력 텐서를 유도하기 위해 평균장 근사를 사용하였다.
• 상분리와 군집화를 정량화하기 위해 구조적 질서 파라미터와 상관 함수를 분석하였다.
• 기계적 안정성과 반응성을 탐색하기 위해 외부 필드와 경계 조건을 통합하였다.
• 대규모 시스템의 시뮬레이션과 통계적 수렴도 향상을 위해 고성능 컴퓨팅 자원을 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기 추진 입자가 유도하는 활성 응력은 콜로이드 분산계에서 상분리를 어떻게 유도하는가?
• RQ2 외부 하중이나 제약 조건 하에서 활성 콜로이드의 기계적 거동은 어떻게 되는가?
• RQ3 활동성이 콜로이드 네트워크의 탄성 계수와 구조적 강성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 활성 콜로이드가 안정적인 비평형 구조를 형성하는 조건은 무엇인가?
• RQ5 유체역학적 상호작용과 직접적인 입자 상호작용이 활성 물질의 형태를 어떻게 경쟁적으로 형성하는가?

주요 결과

• 자기 추진에 의해 유도된 활성 응력은 흡인 상호작용이 없더라도 고밀도 및 희박 영역으로의 상분리를 유도한다.
• 장거리 응력 상관관계에 기인한 잠재적 탄성이 나타나며, 이로 인해 비영인 효과적 전단 모odulus가 발생한다.
• 활동성에 의해 상분리된 구조가 안정화되며, 매크로스코픽 상분리를 위해 임계 활동 수준이 필요하다.
• 활성 콜로이드의 기계적 거동은 평형 시스템과 현저히 다르며, 변형에 따른 강성 증가 특성을 보인다.
• 시뮬레이션 결과 활성 변동성이 결정 구조를 억제하지만, 강화된 기계적 내구성을 지닌 일시적이고 동적인 네트워크를 촉진함을 확인하였다.
• 고성능 컴퓨팅을 통해 대규모 시스템을 연구할 수 있었으며, 활성 효과가 입자 밀도와 지속 시간에 따라 스케일링됨을 확인하였다.