[論文レビュー] Metamaterials for Active Colloid Transport

Shahrzad Yazdi, Juan L. Aragones+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2020

Micro and Nano Robotics被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スピン振幅および格子対称性の時間的変調を用いて、アクティブな回転コロイドの精密で可変な制御を可能にする動的メタマテリアル系を提案する。これらのパラメータを結合することで、1次元または2次元格子において一方向でボールスティック輸送を実現し、対称性保護されたおよび変調された輸送領域を示し、マイクロ流体工学およびマイクロロボティクスへの応用が有望である。

ABSTRACT

Transport phenomena in out-of-equilibrium systems is immensely important in a myriad of applications in biology, engineering and physics. Complex environments, such as the cytoplasm or porous media, can substantially affect the transport properties of such systems. In particular, recent interest has focused on how such environments affect the motion of active systems, such as colloids and organisms propelled by directional driving forces. Nevertheless, the transport of active matter with non-directional (rotational) activity is yet to be understood, despite the ubiquity of rotating modes of motion in synthetic and natural systems. Here, we report on the discovery of spatiotemporal metamaterial systems that are able to dictate the transport of spinning colloids in exquisite ways based on solely two parameters: frequency of spin modulation in time and the symmetry of the metamaterial. We demonstrate that dynamic modulations of the amplitude of spin on a colloid in lattices with rotational symmetry give rise to non-equilibrium ballistic transport bands, reminiscent of those in Floquet-Bloch systems. By coupling these temporal modulations with additional symmetry breaking in the lattice, we show selective control from 4-way to 2-way to unidirectional motion. Our results provide critical new insights into the motion of spinning matter in complex (biological) systems. Furthermore, our work can also be used for designing systems with novel and unique transport properties for application in, for example, smart channel-less microfluidics, micro-robotics, or colloidal separations.

研究の動機と目的

• コロイドにおける非方向性（回転）的な活動性が、構造的で非平衡な環境とどのように相互作用するかを理解すること。
• 合成的および生物学的系において広く見られるが、輸送の制御が不十分な回転コロイドの問題を解決すること。
• 時間的変調と空間的対称性を活用して、アクティブな回転粒子の選択的かつ方向性のある輸送を設計するメタマテリアルを考案すること。
• フロケット＝ブロッホ系の原理をアクティブマターに拡張し、出現する輸送状態を制御可能にする。

提案手法

• ニュートン流体内の2次元周期的ポストアレイを用いて、制御された角速度で回転するコロイドを閉じ込める。
• 流体力学的力（反発力および接線力）と静電的吸引力をモデル化し、コロイドに作用する合力場を決定する。
• スピン振幅の時間的変調を適用して、格子内の束縛状態をハイブリダイズし、非平衡輸送帯を生成する。
• YシフトまたはXYシフトされた格子による回転対称性の破壊により、ボールスティック軌道が開かれる。
• スピン速度（Ω）の振幅変調を用いて、逆対称性が破られた格子において、運動の方向性（正または負のx方向）を選択的に制御する。
• 熱的フラクチュエーションを排除するため、高Péclet数（Pe → ∞）の条件下でシミュレーションを実施し、決定論的力学に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン振幅の時間的変調と格子対称性をどのように組み合わせて、回転コロイドの輸送を制御できるか？
• RQ2 回転対称性がアクティブマターにおけるロバストで対称性保護されたボールスティック輸送を実現する上で果たす役割は何か？
• RQ3 格子における反転対称性の破壊を用いて、回転コロイドの一方的運動を制御できるか？
• RQ4 活動性の変調と格子幾何学の相互作用が、選択的輸送領域（例：4方向、2方向、一方的）をどのように生じさせるか？
• RQ5 この系は、他の渦状または回転するアクティブ系へどの程度一般化可能か？

主な発見

• 回転対称性を持つ格子においてスピン振幅の時間的変調を施すと、フロケット＝ブロッホ状態に類似した非平衡ボールスティック輸送帯が出現する。
• YシフトおよびXYシフトされた格子では、回転対称性が破られることで、振幅変調がなくてもボールスティック軌道が開かれ、1次元輸送がロバストに実現される。
• 回転対称性が破れると、運動の自由度が1次元（例：x方向）に減少し、運動が直線に制限される。
• XYシフト格子における反転対称性の破壊とスピン振幅の変調を組み合わせることで、変調の位相τに依存して運動の方向（正または負のx方向）を明確に選択的に制御できる。
• 系は、変調周波数および格子対称性に明確な依存性を示し、コロイド運動のプログラマブルな制御を実現する。
• スピンナーのボールスティック運動は、量子ホール効果におけるエッジ状態に類似しており、アクティブマターにおけるトポロジカル輸送との深い関係を示唆する。