[论文解读] Clogging and Jamming of Colloidal Monolayers Driven Across a Disordered Landscape

R. Stoop, Pietro Tierno|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2017

Diatoms and Algae Research被引用 3

一句话总结

本研究通过实验探究了在固定障碍物构成的淬火无序势场中，由外场驱动的单层磁性胶体颗粒的阻塞与堵塞现象。通过可调的磁偶极相互作用，作者证明了各向异性吸引力可减少阻塞并增强流动，而淬火无序则显著放大了“越快越慢”效应，揭示了无序与粒子间相互作用在微尺度输运动力学中的关键作用。

ABSTRACT

We experimentally investigate the clogging and jamming of interacting paramagnetic colloids driven through a quenched disordered landscape of fixed obstacles. When the particles are forced to cross a single aperture between two obstacles, we find an intermittent dynamics characterized by an exponential distribution of burst size. At the collective level, we observe that quenched disorder decreases the particle ow, but it also greatly enhances the "faster is slower" effect, that occurs when increasing the particle speed. Further, we show that clogging events may be controlled by tuning the pair interactions between the particles during transport, such that the colloidal ow decreases for repulsive interactions, but increases for anisotropic attraction. We provide an experimental test-bed to investigate the crucial role of disorder on clogging and jamming in driven microscale matter.

研究动机与目标

• 理解无序势场中的淬火无序如何影响受驱微尺度系统中的阻塞与堵塞现象。
• 研究可调的胶体颗粒对间相互作用在调控集体输运与阻塞动力学中的作用。
• 在具有可控无序与相互作用调节的系统中，实验验证“越快越慢”（FIS）效应。
• 通过一种模型胶体系统，探索被钉扎的无序系统中阻塞与堵塞之间的关联。

提出的方法

• 利用旋转磁场驱动直径为2.8 µm的磁性胶体颗粒穿过具有周期性磁条纹图案的单轴铁氧体石榴石薄膜（FGF）。
• 通过将5 µm的二氧化硅颗粒不可逆地附着在FGF上，引入淬火无序，形成空间不相关的障碍物景观。
• 通过调节平面内磁场幅度$H_x$，在原位调控胶体颗粒间的有效偶极相互作用，实现排斥或各向异性吸引相互作用的控制。
• 相互作用势能建模为$U_d = \alpha[H_x^2(1+3\cos 2\vartheta) - 2H_z^2]/r^3$，其中$\alpha$取决于粒子磁化率和FGF参数。
• 通过视频显微术追踪粒子轨迹与速度，并测量平均速度$\langle v_x \rangle$随驱动频率和$H_x$的变化。
• 通过爆发大小分布与速度涨落分析阻塞动力学，重点关注间歇性流动与集体行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无序势场中，淬火无序如何影响受驱胶体单层的集体输运与阻塞现象？
• RQ2 在存在淬火无序的情况下，“越快越慢”（FIS）效应在多大程度上出现并增强？
• RQ3 可调的偶极相互作用——特别是各向异性吸引力——如何改变该系统中的阻塞与流动效率？
• RQ4 在无序环境中，能否通过设计粒子间相互作用来调控粒子桥与阻塞的形成？

主要发现

• 仅8%的障碍物面积分数（$\Phi_o = 0.08$）在驱动频率从6.3增至50.3 rad/s时，即可使粒子速度降低高达45%，表明无序显著增强了“越快越慢”效应。
• 在$H_x = 1.8H_z$时，各向异性偶极相互作用诱导形成柔韧、拉长的列车状结构，可塑性地穿越障碍物，使法向速度涨落增加（$\delta v_y = 1.15\ \mu\text{m/s}^{-1}$），并相比排斥相互作用显著提升流动性能。
• 对于排斥相互作用（$H_x = 0.4H_z$），粒子间距增大导致流动效率降低，平均速度因有效堆积分数$\Phi_m$增大而下降。
• 系统在间歇性流动中表现出指数型爆发大小分布，表明在阻塞转变附近呈现临界类似行为。
• 磁偶极相互作用较强（$U_d \sim 2-95\ k_B T$），主导于热运动与静电效应，实现了粒子相互作用的有效原位调控。
• 该实验装置为研究无序、受驱系统中的阻塞与堵塞转变提供了可控的测试平台，对微流体学与活性物质研究具有直接意义。