[论文解读] Hydrodynamic effects on the liquid-hexatic transition of active colloids

Giuseppe Negro, Claudio Basilio Caporusso+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2022

Micro and Nano Robotics被引用 7

一句话总结

本研究通过活性布朗运动粒子（ABP）和活性流体动力学粒子（AHP）的数值模拟，研究了流体动力学效应对活性胶体中液相-六角相变的影响。结果表明，增加粒子质量可降低有序化的临界堆积分数，从而抵消活性引起的无序化；而整体上，流体动力学促进无序化，使相变向更高密度移动，并在高密度下实现自维持的集体运动。

ABSTRACT

We study numerically the role of hydrodynamics in the liquid-hexatic transition of active colloids at intermediate activity, where motility induced phase separation (MIPS) does not occur. We show that in the case of active Brownian particles (ABP), the critical density of the transition decreases upon increasing the particle's mass, enhancing ordering, while self-propulsion has the opposite effect in the activity regime considered. Active hydrodynamic particles (AHP), instead, undergo the liquid-hexatic transition at higher values of packing fraction $ϕ$ than the corresponding ABP, suggesting that hydrodynamics have the net effect of disordering the system. At increasing densities, close to the hexatic-liquid transition, we found in the case of AHP the appearance of self-sustained organized motion with clusters of particles moving coherently.

研究动机与目标

• 理解粒子惯性（通过质量变化）在无运动诱导相分离（MIPS）的中等活性条件下，对活性胶体液相-六角相变的影响。
• 研究流体动力学相互作用在改变活性胶体相行为中的作用，特别是在无MIPS的情况下。
• 表征在六角相-液相转变附近，活性流体动力学粒子（AHP）中集体运动和速度关联的出现。
• 比较ABP与AHP模型中流体动力学与惯性对有序化转变的影响。

提出的方法

• 采用多粒子碰撞动力学（MPCD）方法对二维活性胶体进行数值模拟，以模拟流体动力学相互作用。
• 实现可调粒子质量的活性布朗运动粒子（ABP），并设定自驱动速度（Péclet数Pe=10,20），以分离惯性和活性时间尺度。
• 采用热滑移边界条件，将旋转扩散与流体动力学耦合解耦，从而独立控制旋转与平动动力学。
• 通过将ABP动力学与流体场耦合，模拟活性流体动力学粒子（AHP），实现非各向同性的粒子相互作用。
• 测量局域六角序参数、径向分布函数及空间速度关联函数，以分析结构与动力学相变。
• 在模拟中切换ABP与AHP模型，以隔离流体动力学对有序化与流动模式的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 增加粒子质量如何影响活性胶体中液相-六角相变的临界堆积分数？
• RQ2 在中等活性下，流体动力学相互作用对活性胶体有序化转变的净效应是什么？
• RQ3 在活性流体动力学粒子（AHP）中，自维持集体运动在何种密度下出现？
• RQ4 在AHP系统中，空间速度关联在六角相-液相转变前后如何变化？
• RQ5 与非流体动力学活性粒子相比，流体动力学在抑制或增强取向序方面起什么作用？

主要发现

• 增加粒子质量可降低液相-六角相变的临界堆积分数，表明惯性促进有序化，并可抵消自驱动引起的无序化效应。
• 与ABP相比，流体动力学相互作用使液相-六角相变向更高的堆积分数移动，表明流体动力学对取向序具有净无序化效应。
• 在堆积分数高于 φ ≈ 0.720 时，AHP系统表现出自维持的集体运动，呈现单向流动，同时速度关联衰减由指数型转变为幂律型。
• 在 φ ≈ 0.720 以下，速度场中出现瞬态涡旋，但无局域取向序，表明流体动力学关联先于集体运动出现。
• 在AHP系统中关闭流体动力学后，全局六角序参数缓慢而持续增加，证实流体动力学阻碍了完全有序化。
• AHP系统的相变临界密度高于ABP，且由于持续的流体动力学涨落，系统保持在波动的、部分有序状态。