[论文解读] Dynamics of a simple model microswimmer in an anisotropic fluid: implications for alignment behavior and active transport in a nematic liquid crystal

Abdallah Daddi‐Moussa‐Ider, Andreas M. Menzel|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2018

Micro and Nano Robotics参考文献 192被引用 33

一句话总结

本研究通过推导局域力诱导流体流动的水动力格林函数，理论研究了在单轴各向异性流体（如向列液晶）中，一个最小模型微游泳器的动力学。分析表明，游泳器的取向（平行、垂直或斜向于向列指向序）取决于推进类型（推子型与拉子型）和黏度各向异性，其驱动力来自自生流动与流体各向异性的水动力耦合，结果支持在可调各向异性介质中实现受控主动输运。

ABSTRACT

Several recent experiments investigate the orientational and transport behavior of self-driven bacteria and colloidal particles in nematic liquid crystals. Correspondingly, we study theoretically the dynamics of a minimal model microswimmer in a uniaxially anisotropic fluid. As a first step, the hydrodynamic Green's function providing the resulting fluid flow in response to a localized force acting on the anisotropic fluid is derived analytically. On this basis, the behavior of both puller- and pusher-type microswimmers in the anisotropic fluid is analyzed. Depending on the propulsion mechanism and the relative magnitude of different involved viscosities, we find alignment of the swimmers parallel or perpendicular to the anisotropy axis. Particularly, also an oblique alignment is identified under certain circumstances. The observed swimmer reorientation results from the hydrodynamic coupling between the self-induced fluid flow and the anisotropy of the surrounding fluid, which distorts the self-generated flow field. We support parts of our results by a simplified linear stability analysis. Our theoretical predictions are in qualitative agreement with recent experimental observations on swimming bacteria in nematic liquid crystals. They support the objective of utilizing the, possibly switchable, anisotropy of a host fluid to guide individual microswimmers and active particles along a requested path, enabling controlled active transport.

研究动机与目标

• 理解自推进微游泳器与各向异性流体流变学之间的水动力耦合如何调控其在向列液晶中的取向。
• 推导考虑黏度张量各向异性的单轴各向异性流体中流体流动的解析水动力格林函数。
• 确定微游泳器（推子型或拉子型）相对于向列指向序平行、垂直或呈斜向取向的条件。
• 为在可切换各向异性流体中引导活性粒子以实现受控主动输运应用提供理论基础。
• 通过简化线性稳定性分析和使用边界积分法的数值模拟验证理论预测。

提出的方法

• 利用连续介质力学和守恒定律，基于Leslie-Ericksen理论框架，推导局域力在各向异性流体中产生的水动力格林函数。
• 将微游泳器建模为具有两个非对称力中心的球体，以表征推子型与拉子型推进机制。
• 利用推导出的格林函数，计算平行和垂直于向列指向序方向的自迁移率张量与成对迁移率张量。
• 应用渐近展开和解析积分技术（如傅里叶变换、勒让德展开）获得迁移率函数的闭式表达式。
• 通过使用精细三角形网格（320和1280个三角形）的边界积分法（BIM）模拟验证结果，以评估精度。
• 进行线性稳定性分析以支持观察到的取向行为，并预测稳态取向。

实验结果

研究问题

• RQ1 向列液晶流体的各向异性如何影响自推进微游泳器的取向与对齐？
• RQ2 什么因素决定了推子型或拉子型微游泳器相对于向列指向序平行或垂直对齐？
• RQ3 在何种条件下，微游泳器会相对于指向序轴呈现斜向稳态取向？
• RQ4 黏度系数（ν2, ν3, ¯ν）的相对大小如何影响水动力耦合并决定微游泳器的动力学？
• RQ5 在流体各向异性存在的情况下，迁移率函数的解析预测与数值模拟的吻合程度如何？

主要发现

• 成功解析推导出各向异性流体的水动力格林函数，可预测在向列环境中局域力作用下的流体流动。
• 对于推子型游泳器，当黏度各向异性有利于拉伸流动时，预测其将平行于向列指向序对齐；而拉子型游泳器在相同条件下则垂直对齐。
• 当黏度系数比值（如ν2/ν3和¯ν/ν3）达到中间值时，会涌现出斜向对齐状态，表明其对各向异性的依赖关系非单调。
• 平行于指向序的自迁移率与1/(4πhν3)成正比，而垂直分量与1/(8πhν2)成正比，反映了对流动的各向异性阻力。
• 数值边界积分模拟在广泛的黏度比和粒子间距范围内，与解析预测在自迁移率和成对迁移率函数上均表现出极佳一致性。
• 结果与近期关于细菌在向列液晶中游泳的实验结果定性一致，支持利用可调流体各向异性引导活性粒子的可行性。