[論文レビュー] Non-equilibrium phases in suspensions of self-propelled colloidal particles controlled by phoretic mobility and hydrodynamics

Andrea Scagliarini, Ignacio Pagonabarraga|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

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ひとこと要約

本研究では、完全に解像された流体力学的相互作用を有するミクロスコピック的手法を用いて自己駆動性コロイド懸濁液を調査し、界面拡散移動度が負である場合にクラスター相への転移が生じることを明らかにした。クラスターのサイズは活性度に比例して線形に増大し、指数分布に従い、流体力学的相互作用はクラスターの形態および成長キネティクスに強く影響する。

ABSTRACT

We study the collective dynamics of suspensions of self-propelled diffusiophoretic colloids, in (quasi)-2d configurations, by means of a novel mesoscopic method featuring fully resolved hydrodynamics. We show that the system displays a transition when changing the sign of the phoretic mobility (which accounts for the colloid-solute interactions) and, for negative values, it develops a cluster phase. We find that the cluster size distribution follows an exponential behaviour, with a characteristic size growing linearly with the colloid activity, while the density uctuations grow as a power-law with an exponent depending on the cluster fractal dimension. Our simulations indicate that hydrodynamics plays a relevant role in the aggregation kinetics, cluster morphology and significantly hinders the cluster growth.

研究の動機と目的

• 自己駆動性コロイドの集団的挙動を決定する界面拡散移動度の符号の役割を理解すること。
• 2次元懸濁液における流体力学的相互作用が凝集キネティクスおよびクラスター形態に与える影響を調査すること。
• 非平衡相におけるクラスターサイズおよび密度フラクチュエーションの統計的性質を同定すること。
• コロイドの活性度がクラスターサイズ分布および成長ダイナミクスに与える影響を特定すること。

提案手法

• 2次元懸濁液における流体力学的相互作用を完全に解像する新しいミクロスコピックシミュレーション手法を採用する。
• 溶質-コロイド相互作用を捉えるために、拡散移動度を用いて自己駆動性コロイドをモデル化する。
• 界面拡散移動度の符号およびコロイド活性度の異なる条件下での系をシミュレートする。
• クラスター形成をサイズ分布および密度フラクチュエーション統計の分析により評価する。
• クラスターサイズおよび密度フラクチュエーションのスケーリングを特定するため、べき乗則および指数関数的フィッティングを用いる。
• 非流体力学的極限との比較を通じて、流体力学的相互作用がクラスター成長に与える影響を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 界面拡散移動度の符号を反転させると、自己駆動性コロイドの集団的ダイナミクスにどのような影響が生じるか？
• RQ2 負の界面拡散移動度領域において、クラスターサイズ分布はコロイド活性度にどのように依存するか？
• RQ3 流体力学的相互作用はクラスター形態および成長キネティクスにどのように影響するか？
• RQ4 密度フラクチュエーションにどのようなスケーリング行動が現れ、それはクラスターのフラクタル次元とどのように関連するか？
• RQ5 非流体力学的状況と比較して、流体力学的相互作用はクラスター成長をどの程度阻害するか？

主な発見

• 界面拡散移動度が負である場合にクラスター相への転移が発生し、相互作用の符号が果たす重要な役割が示された。
• クラスターのサイズ分布は指数関数的減衰に従い、特徴的なクラスターサイズはコロイド活性度に比例して線形に増大した。
• 密度フラクチュエーションはべき乗則に従い、その指数はクラスターのフラクタル次元に依存した。
• 流体力学的相互作用はクラスター成長を顕著に阻害し、凝集キネティクスを遅くし、形態を変化させた。
• 解像された流体力学的相互作用の存在により、非流体力学的ケースと比較してよりコンパクトで密度の低いクラスターが形成された。
• 活性度と流体力学的結合が相形成を支配する非平衡的挙動を示した。