[论文解读] Active Matter

Gautam I. Menon|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2010

Micro and Nano Robotics参考文献 47被引用 8

一句话总结

本文将活性物质定义为一类由自驱动粒子组成的系统，这些粒子将内部或环境中的能量转化为运动和功，从而引发非平衡相变和显著的非高斯涨落等集体行为。文章概述了此类系统的建模原则，强调通过直接作用力和流体动力学扰动的相互作用。

ABSTRACT

The term active matter describes diverse systems, spanning macroscopic (e.g. shoals of fish and flocks of birds) to microscopic scales (e.g. migrating cells, motile bacteria and gels formed through the interaction of nanoscale molecular motors with cytoskeletal filaments within cells). Such systems are often idealizable in terms of collections of individual units, referred to as active particles or self-propelled particles, which take energy from an internal replenishable energy depot or ambient medium and transduce it into useful work performed on the environment, in addition to dissipating a fraction of this energy into heat. These individual units may interact both directly as well as through disturbances propagated via the medium in which they are immersed. Active particles can exhibit remarkable collective behaviour as a consequence of these interactions, including non-equilibrium phase transitions between novel dynamical phases, large fluctuations violating expectations from the central limit theorem and substantial robustness against the disordering effects of thermal fluctuations. In this chapter, following a brief summary of experimental systems which may be classified as examples of active matter, I describe some of the principles which underlie the modeling of such systems.

研究动机与目标

• 将从鸟群到细菌悬浮液等多样化的实验系统分类并分析为活性物质的实例。
• 识别持续消耗能量以做功的活性粒子行为的基本原理。
• 为远离平衡态的活性物质系统建立概念性与建模框架。
• 解释活性粒子之间的相互作用——包括直接作用与通过周围介质的间接作用——如何导致涌现的集体现象。
• 强调活性物质系统对热涨落的鲁棒性及其与平衡态统计力学的偏离。

提出的方法

• 将活性物质系统建模为从内部或环境源获取能量的自驱动粒子集合。
• 形式化能量转换过程，其中部分能量用于对环境做功，另一部分以热量形式耗散。
• 同时纳入粒子间的直接相互作用以及通过周围流体或介质介导的间接相互作用。
• 应用非平衡统计力学描述集体动力学，包括在平衡系统中未观察到的相变。
• 使用流体动力学描述捕捉由介质中活性应力引起的长程关联与涨落。
• 分析偏离平衡行为的特征，如违反中心极限定理的显著非高斯涨落。

实验结果

研究问题

• RQ1 在远离平衡态的情况下，活性物质系统中的自驱动粒子如何产生集体运动？
• RQ2 活性物质系统通过何种机制表现出对热涨落的鲁棒性？
• RQ3 流体动力学相互作用与直接作用在新型动力学相的涌现中分别发挥何种作用？
• RQ4 活性粒子如何违背平衡统计力学的假设，特别是中心极限定理？
• RQ5 在微观与宏观尺度上，描述活性物质非平衡动力学的关键建模原则是什么？

主要发现

• 活性物质系统表现出非平衡相变，这些相变无法用平衡热力学描述。
• 由于持续的活性行为，活性物质中产生显著的非高斯涨落，违反了中心极限定理的预测。
• 活性粒子即使在热噪声存在下仍能维持集体有序与相干性，表现出对无序的鲁棒性。
• 通过周围介质（如流体流动）的相互作用在活性系统中起关键作用，介导长程关联。
• 活性粒子中的能量转换过程导致持续运动与功的产生，使其与被动布朗粒子相区别。
• 建模活性物质需要扩展平衡统计力学，以包含活性应力与非保守力。