[论文解读] Hydrodynamic interactions can induce jamming in flow-driven systems

Cereceda-L\'opez, Eric, Lips, Dominik+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2021

Micro and Nano Robotics被引用 14

一句话总结

本研究表明，流驱动胶体系统中的流体动力学相互作用（HIs）可引发阻塞，这与它们在力驱动传输中通常起促进作用的角色相反。通过旋转光镊产生涡旋流，实验与理论结果表明，HIs增强了有效势垒，导致高密度下粒子流减少——揭示了流驱动传输中一种普遍存在的阻塞机制。

ABSTRACT

Hydrodynamic interactions between fluid-dispersed particles are ubiquitous in soft matter and biological systems and they give rise to intriguing collective phenomena. While it was reported that these interactions can facilitate force-driven particle motion over energetic barriers, here we show the opposite effect in a flow-driven system, i.e. that hydrodynamic interactions hinder transport across barriers. We demonstrate this result by combining experiments and theory. In the experiments, we drive colloidal particles using rotating optical traps, thus creating a vortex flow in the corotating reference frame. We observe a jamming-like decrease of particle currents with density for large barriers between traps. The theoretical model shows that this jamming arises from hydrodynamic interactions between the particles. The impact of hydrodynamic interactions is reversed compared to force-driven motion, suggesting that our findings are a generic feature of flow-driven transport.

研究动机与目标

• 研究流体动力学相互作用（HIs）在流驱动粒子传输中的作用，与力驱动系统中已知效应进行对比。
• 设计一种受控的实验装置，利用旋转光镊在周期性闭合几何结构中产生定义明确的流场。
• 观察并量化粒子密度和势垒高度随时间变化的粒子流中的类似阻塞行为。
• 建立一个理论模型，解释观察到的阻塞现象是由于HIs增强了有效势垒所致。
• 确立这种由HIs引发的阻塞是流驱动传输的普遍特征，与势场不完美性无关。

提出的方法

• 使用旋转光镊在共旋转参考系中产生时间依赖的涡旋流，模拟流驱动传输。
• 采用由27个等距光镊组成的环形阵列，通过激光功率调制实现可调势垒高度。
• 利用高速CMOS显微成像和Crocker-Grier追踪方法测量粒子动力学，提取均方位移和速度。
• 将实验数据拟合至时间依赖势模型 Uϕ(ϕ,t) = U₀/2 [1 + ξ sin(ϕ + ωt)] cos(Ntrϕ)，以捕捉振幅调制和势垒高度。
• 进行包含流体动力学相互作用（通过Oseen张量描述）的布朗运动模拟，与实验结果对比并验证模型。
• 分析基本图（电流与密度关系），识别阻塞转变并量化HIs的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 流体动力学相互作用是否在流驱动粒子传输中引发阻塞，与它们在力驱动系统中通常的促进作用相反？
• RQ2 流体动力学相互作用如何改变流驱动系统中的有效势垒？
• RQ3 粒子密度在多大程度上影响流驱动周期势场中的电流？这是否导致阻塞转变？
• RQ4 观察到的阻塞现象是否可完全归因于流体动力学相互作用，而非外部噪声或势场不完美性？
• RQ5 该阻塞效应在不同势垒高度和粒子密度下是否具有鲁棒性？它是否在AOD引起的势场调制下依然存在？

主要发现

• 实验观察到，在流驱动系统中，随着粒子密度增加，流体动力学相互作用导致粒子流出现类似阻塞的减少。
• 该阻塞效应源于HIs增强了有效势垒，提高了粒子穿越势垒的能量成本。
• 由于流体动力学耦合，有效势垒高度随粒子密度增加而上升，导致电流-密度关系呈现非单调性。
• 实验测得的电流-密度数据与包含HIs的布朗运动模拟结果高度一致，证实了该机制。
• HIs的影响与力驱动传输中相反：在力驱动下，HIs有助于克服势垒；而在流驱动下，HIs则阻碍传输。
• 该阻塞效应具有鲁棒性，即使在AOD引起的势场调制下依然存在，表明其在真实非理想系统中的相关性。