[論文レビュー] Reconfigurable Flows and Defect Landscape of Confined Active Nematics

Jérôme Hardouïn, Rian Hughes+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

Micro and Nano Robotics被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、マイクロプリントされたチャネルを用いて、マイクロチューブリンキネシンネマティック系における横方向の閉じ込めが、アクティブな流れと欠陥ダイナミクスをどのように再構成するかを調査している。実験とシミュレーションの両方で確認されたように、活性度とは無関係にチャネル幅によって制御される、新たな幾何学的長尺度が、狭いチャネル内での欠陥なしの単一方向のせん断流れを安定化させることを明らかにした。欠陥は壁に核生成し、秩序あるダイナミクスを示す。

ABSTRACT

Using novel micro-printing techniques, we develop a versatile experimental setup that allows us to study how lateral confinement tames the active flows and defect properties of the microtubule/kinesin active nematic system. We demonstrate that the active length scale that determines the self-organization of this system in unconstrained geometries loses its relevance under strong lateral confinement. Dramatic transitions are observed from chaotic to vortex lattices and defect-free unidirectional flows. Defects, which determine the active flow behavior, are created and annihilated on the channel walls rather than in the bulk, and acquire a strong orientational order in narrow channels. Their nucleation is governed by an instability whose wavelength is effectively screened by the channel width. All these results are recovered in simulations, and the comparison highlights the role of boundary conditions.

研究の動機と目的

• マイクロチューブリンキネシンネマティック系における横方向の閉じ込めが、アクティブな流れのパターンと欠陥行動に与える影響を調査すること。
• 閉じ込めが、古典的なアクティブ長尺度とは異なる新たな長尺度を誘発するかどうかを特定すること。
• 境界条件が欠陥の核生成とダイナミクスに果たす役割を調査すること。
• 実験的観察と数値シミュレーションを比較し、出現する現象を検証すること。
• 幾何的制約下での、混沌としたアクティブな乱流から秩序ある流れ状態への遷移を理解すること。

提案手法

• アクティブネマティック流体を閉じ込めるために、チューナブルな長方形チャネルをマイクロプリント技術で作製した。
• 共焦点蛍光顕微鏡を用いて、ネマティック界面をイメージし、リアルタイムで欠陥ダイナミクスを追跡した。
• 実験およびシミュレーションの両方で、配向子場から流れ場を可視化するために、ライン積分コンボリューション（LIC）手法を適用した。
• 明示的な境界条件を含むアクティブネマティックスの流体力学モデルを用いて、数値的シミュレーションを実施した。
• さまざまなチャネル幅におけるテクスチャおよび流れの組織化を定量化するために、ネマティック秩序パラメータ q をマッピングした。
• 時間分解画像データから速度プロファイルおよび欠陥位置分布を計算するために、カスタム版のImageJプラグインを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 横方向の閉じ込めは、制約のない幾何形状と比較して、アクティブネマティック流れの自己組織化にどのように影響するか？
• RQ2 強い閉じ込め下で出現する新たな長尺度の起源と性質は何か？
• RQ3 閉じ込められたアクティブネマティックスにおいて、トポロジカル欠陥はどこに、どのように核生成するのか？また、その寿命はチャネル幅にどのように依存するか？
• RQ4 シミュレーションは、実験的に観察された欠陥なしのせん断流れ、ダンシング・ヴォルテックス、アクティブな乱流の間の遷移を再現できるか？
• RQ5 チャネル壁における境界条件は、欠陥ダイナミクスおよび流れの安定性にどのように影響するか？

主な発見

• 狭いチャネル内では、活性度ではなく幾何学的閉じ込めによって安定化される、欠陥のない単一方向のせん断流れ状態が出現する。
• 欠陥は、バルク部ではなく、チャネルの壁にのみ核生成し、異なる幅においても一貫して壁から約18 µmの位置に位置する。
• 核生成不安定性の有効波長はチャネル幅によってスクリーニングされ、欠陥間隔が幾何学的制御を受けることを示している。
• チャネル幅が広がるに従い、欠陥の寿命が延び、シミュレーションで予測されたが、これまで実験的に観察されていなかった空間的・時間的「ダンシング・ヴォルテックス」状態が出現する。
• より広いチャネルでは、系はアクティブな乱流に遷移し、閉じ込めが弱まるに従い秩序の崩壊が確認された。
• シミュレーションは、実験的流れのパターンと欠陥ダイナミクスを定量的に再現しており、壁の境界条件が秩序状態の安定化に果たす重要な役割を強調している。