[论文解读] Effective single component description of steady state structures of passive particles in an active bath

Jay Prakash Singh, Sudipta Pattanayak+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2022

Micro and Nano Robotics参考文献 84被引用 6

一句话总结

本研究通过平均活性布朗粒子（ABPs）施加于被动粒子上的力，推导出被动粒子之间的有效相互作用势，提出了一种在2D活性浴中对被动粒子进行有效单组分描述的方法。有效相互作用随活性和尺寸比的增加，由排斥力转变为吸引力，从而驱动四种不同的稳态结构：无序（D）、无序团簇（DC）、有序团簇（OC）和多晶态（PC），该结果通过全微观模拟和有效势能模型得到验证。

ABSTRACT

We model a binary mixture of passive and active Brownian particles in two dimensions using the effective interaction between passive particles in the active bath. The activity of active particles and the size ratio of two types of particles are two control parameters in the system. The effective interaction is calculated from the average force on two particles generated by the active particles. The effective interaction can be attractive or repulsive, depending on the system parameters. The passive particles form four distinct structural orders for different system parameters viz; disorder (D), disordered cluster (DC), ordered cluster (OC), and poly-crystalline order (P C). The change in structure is dictated by the change in nature of the effective interaction. We further confirm the four structures using full microscopic simulation of active and passive mixture. Our study is useful to understand the different collective behaviour in non-equilibrium systems.

研究动机与目标

• 开发一种在非平衡活性浴中对被动粒子进行有效单组分描述的方法，消去活性自由度。
• 理解活性和尺寸比如何调控被动粒子在稳态下的集体结构形成。
• 通过将预测结构与活性-被动混合系统的全微观模拟进行比较，验证有效相互作用模型。
• 探索由可调有效力驱动的非平衡结构相的出现——包括无序、无序团簇、有序团簇和多晶态。

提出的方法

• 在周期性边界条件下，建立被动粒子（半径 rp）与活性布朗粒子（ABPs，半径 ra）的2D双组分混合系统。
• 定义尺寸比 S = rp/ra 和无量纲活性 V̄ = v/(raνr)，其中 νr 固定，通过改变 v 来调节活性。
• 通过在多个稳态构型上对ABP诱导力在两固定被动粒子分离方向上的分量进行平均，计算两被动粒子之间的有效力。
• 从平均力推导出有效势能 V_eff(r)，表示非平衡稳态下的溶剂介导相互作用。
• 使用 V_eff(r) 对被动系统进行布朗运动模拟，以预测结构相，而无需显式模拟ABP动力学。
• 通过在参数空间内将预测结果与活性-被动混合系统的全微观模拟进行比较，验证预测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 被动粒子在活性浴中的有效相互作用如何依赖于ABPs的活性和尺寸比 S？
• RQ2 在有效势能作用下，被动粒子系统中出现哪些结构相，它们如何随系统参数变化？
• RQ3 有效单组分描述能否准确预测全微观模拟中观察到的活性-被动混合系统稳态结构？
• RQ4 有效相互作用的本质（吸引或排斥）是什么，它如何驱动不同结构有序度之间的转变？
• RQ5 所观察到的四种结构相——无序、无序团簇、有序团簇和多晶态——如何从有效势能景观中产生？

主要发现

• 被动粒子之间的有效相互作用具有可调性：随着无量纲活性 V̄ 增大或尺寸比 S 增大，相互作用由排斥转为吸引。
• 在参数空间中识别出四种不同的稳态结构相：无序（D）、无序团簇（DC）、有序团簇（OC）和多晶态（PC），每种相对应于有效势能的不同区域。
• 结构相之间的转变由有效相互作用本质的变化驱动，吸引力有利于团簇形成和长程有序。
• 有效势能模型的预测结构与活性-被动混合系统全微观模拟中观察到的结构在定量上高度一致，验证了粗粒化方法的有效性。
• 有效单组分模型成功捕捉了活性浴中的非平衡集体行为，包括类似自扩散相分离的现象，即使在缺乏自由能描述的情况下亦成立。
• 本研究表明，活性浴可诱导出有效相互作用，从而在无显式平衡溶剂介导力的情况下，仍能驱动被动粒子实现复杂且可调的自组织行为。