[논문 리뷰] Chemotactic motility-induced phase separation

Hongbo Zhao, Andrej Košmrlj외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 29.

Micro and Nano Robotics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 활성 물질에서 운동성 유도 상분리(MIPS)와 화학성향운동을 통합한 이론적 프레임워크를 제안하며, 화학성향운동이 MIPS 동역학을 억제하거나 정지시키거나 본질적으로 변화시킬 수 있음을 보여준다. Cahn-Hilliard형 연속체 모델에 화학성향운동 유량을 추가함으로써, 저자들은 클러스터링(MIPS)과 산산히 흩어짐(화학성향운동) 간의 경쟁을 규명하였으며, 주요 제어 매개변수로 감소된 화학성향운동 페클레 수(Pe′C)를 규명하여, 상분리가 억제되거나 새로운 불안정성으로 대체되는 조건을 밝혀냈다.

ABSTRACT

Collectives of actively-moving particles can spontaneously separate into dilute and dense phases -- a fascinating phenomenon known as motility-induced phase separation (MIPS). MIPS is well-studied for randomly-moving particles with no directional bias. However, many forms of active matter exhibit collective chemotaxis, directed motion along a chemical gradient that the constituent particles can generate themselves. Here, using theory and simulations, we demonstrate that collective chemotaxis strongly competes with MIPS -- in some cases, arresting or completely suppressing phase separation, or in other cases, generating fundamentally new dynamic instabilities. We establish quantitative principles describing this competition, thereby helping to reveal and clarify the rich physics underlying active matter systems that perform chemotaxis, ranging from cells to robots.

연구 동기 및 목표

• 운동성 유도 상분리(MIPS)를 보이는 활성 물질 시스템의 상 행동에 대해, 집단적 화학성향운동(자기 생성된 화학 농도 기울기 沿해 정렬된 운동)이 미치는 영향을 이해하는 것.
• 활성 물질에서 잘 알려진 두 현상인 MIPS(방향성 편향 없이 비평형 입자 운동에 의해 유도됨)와 화학성향운동(화학 기울기 沿해 정렬된 운동) 간 격차를 메우는 것.
• MIPS에 의한 클러스터링과 화학성향운동에 의한 산산히 흩어짐 간의 경쟁을 수량적으로 기술하는 이론적 모델을 개발하여, 상분리 결과를 예측할 수 있도록 하는 것.
• 특히 감소된 화학성향운동 페클레 수를 포함한 무차원 매개변수들이 MIPS가 억제되거나 정지되거나 새로운 동적 불안정성으로 대체되는지를 결정하는지를 규명하는 것.

제안 방법

• Cahn-Hilliard 방정식 기반 연속체 모델을 제안하며, 활성 확산성(=MIPS)과 화학성향운동 유량(비례항 χ₀φ∇f(ĉ))을 포함하는 유량 항을 통해 MIPS와 화학성향운동을 통합한다.
• 감소된 화학성향운동 페클레 수 Pe′C ≡ −χ₀/(M₀φ₀∂ϕμ̃h) × (f′g)/(g′) 를 도입하여, 화학성향운동과 MIPS 간의 효과적 경쟁을 정량화하는 핵심 제어 매개변수로 규명한다.
• Damköhler 수(Da), 효과적 유도물질 흡수율과 확산율의 비율, 활성 확산성과 유도물질 확산율의 비율(α)과 같은 무차원 매개변수를 사용하여 시스템 행동를 특성화한다.
• 파라미터 공간 전반에서 수치 시뮬레이션을 수행하여, 클러스터 형성, 억제, 진동하는 행동과 같은 상분리 동역학을 탐색한다.
• 연속성 방정식에서 화학성향운동 유량과 MIPS에 의해 유도된 유량 간의 균형을 통해 불안정성 발생 및 상분리 억제의 분석 기준을 유도한다.
• 실험 시스템(예: 이동성 박테리아 및 합성 콜로이드)의 추정치를 사용하여 예측을 검증하였으며, Pe′C ≈ PeC·S/k 가 크면 MIPS가 억제됨을 보여주어, 높은 유도물질 농도에서의 실험 관측과 일치함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 집단적 화학성향운동이 활성 물질 시스템에서 운동성 유도 상분리(MIPS)와 어떻게 정량적으로 경쟁하는가?
• RQ2 화학성향운동이 MIPS를 억제하거나 정지시키는 조건은 무엇이며, 이를 결정하는 무차원 매개변수는 무엇인가?
• RQ3 화학성향운동은 기존의 MIPS 모델에 존재하지 않는 새로운 유형의 동적 불안정성을 유도할 수 있는가?
• RQ4 유도물질 공급률(S)과 흡수 동역학이 상분리 발생 여부를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 활성 확산성(M₀), 화학성향운동 계수(χ₀), 유도물질 확산율(Dc)의 상대 크기가 시스템 행동에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 감소된 화학성향운동 페클레 수 Pe′C 가 충분히 클 경우, 화학성향운동이 MIPS를 완전히 억제할 수 있으며, 특히 유도물질이 풍부할 때(높은 S) 두드러진다.
• 유도물질 공급이 낮은 시스템에서는 MIPS가 여전히 발생할 수 있으나, 화학성향운동의 존재로 인해 동역학이 변화하여, 정지된 상분리 또는 진동하는 클러스터 운동으로 이어질 수 있다.
• 합성 화학성향운동 콜로이드의 경우, 자가 추진 속도 U₀ 또는 흡수율 k 를 조절함으로써 Damköhler 수(Da)를 제어할 수 있으며, 이는 유한한 크기의 영역에서 진동하는 동역학에 접근 가능하게 한다.
• 모델은 이동성 박테리아 집단이 Pe′C ≈ PeC·S/k 가 클 경우 MIPS 억제 조건을 만족함을 예측하며, 실험 관측과 일치하여 고농도의 유도물질에서는 클러스터 형성이 방지됨을 보여준다.
• MIPS와 화학성향운동 간의 경쟁은 효과적 확산성의 비율에 의해 결정되며, α ≈ M₀/Dc 와 Da ≈ κk/Dc 이며, 핵심 제어 매개변수로 감소된 화학성향운동 페클레 수 Pe′C 가 있다.
• 시뮬레이션 결과, α₀ = 10 이고 Da₀ = 0.5 일 경우 진동하는 동역학이 나타나, 화학성향운동이 단순한 상분리를 초월한 복잡한 비평형 패턴을 유도할 수 있음을 보여준다.