[论文解读] Dynamics and rheology of active glasses

T. F. F. Farage, J. M. Brader|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2014

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一句话总结

该论文为密集自驱动胶体粒子的活性悬浮液建立了基于第一性原理的模式耦合理论，表明活性使玻璃化转变向更高的体积分数移动，并通过降低非遍域参数和屈服应力，使机械响应变软。该理论预测屈服应力随活性增加而连续降低，使得活性玻璃保持玻璃态的同时比被动玻璃更柔软。

ABSTRACT

Within the framework of mode-coupling theory, we present a simple model for describing dense assemblies of active (self-propelled) spherical colloidal particles. For isotropic suspensions, we demonstrate that the glass transition is shifted to higher volume fraction by the addition of activity, in agreement with recent Brownian dynamics simulations. Activity-induced changes in the static structure factor of the fluid are predicted. The mechanical response of an active glass to applied strain is shown to be softer than the corresponding passive glass; both the nonergodicity parameter and the yield stress reduce with increasing activity.

研究动机与目标

• 为接近玻璃化转变的密集活性悬浮液建立微观理论。
• 理解粒子活性如何改变液-玻璃相边界和静态结构。
• 描述剪切作用下活性玻璃的机械响应，特别是屈服应力。
• 为活性玻璃动力学和流变学提供无参数的理论框架。

提出的方法

• 推导出具有自驱动和取向动力学的活性球形胶体的时间局部、阻尼过量朗之万方程。
• 使用福克-普朗克方程描述N体概率分布，并应用模式耦合近似以提高可处理性。
• 引入一种略去记忆函数并由剪切率修正的图示模型，以描述流变响应。
• 应用瞬态积分和广义格林-库伯关系计算剪切应力。
• 使用非遍域参数和密度关联函数作为表征玻璃态行为的关键可观测量。
• 通过耦合平动与转动运动的动力学算符，引入旋转扩散和自驱动。

实验结果

研究问题

• RQ1 活性如何影响密集悬浮液中玻璃化转变的位置？
• RQ2 活性如何改变活性流体中静态结构因子和密度关联函数？
• RQ3 活性如何影响剪切作用下活性玻璃的屈服应力？
• RQ4 基于第一性原理的模式耦合理论能否描述笼效应与自驱动之间的竞争？

主要发现

• 活性使玻璃化转变向更高的体积分数移动，与先前的模拟结果一致。
• 流体的静态结构因子受活性影响而改变，反映出粒子相关性的变化。
• 随着活性增加，非遍域参数降低，表明粒子笼效应减弱。
• 活性玻璃的屈服应力随自驱动速度 $v_0$ 增加而显著降低。
• 当 $v_0 > v_0^*$ 时，屈服应力在相边界处不连续地降至零，表明发生软化转变。
• 屈服应力与 $v_0$ 的标度关系无法归一化为单一主曲线，表明不存在简单的通用标度。