[论文解读] Long-ranged velocity correlations in dense systems of self-propelled particles

Grzegorz Szamel, Elijah Flenner|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2021

Micro and Nano Robotics参考文献 37被引用 51

一句话总结

本文表明，长程速度关联——此前仅在密集有序的自驱动粒子系统中观察到——同样会在密集流体状的活性粒子系统中出现。作者表明，这些关联源于自驱动持续性与排斥相互作用产生的维里体模量之间的相互作用，关联长度随√τ变化，并提出一个简单理论，可描述纵向关联，但无法描述横向关联。

ABSTRACT

Model systems of self-propelled particles reproduce many phenomena observed in laboratory active matter systems that defy our thermal equilibrium-based intuition. In particular, in stationary states of self-propelled systems, it is recognized that velocities of different particles exhibit non-trivial equal-time correlations. Such correlations are absent in equivalent equilibrium systems. Recently, researchers found that the range of the velocity correlations increases with increasing persistence time of the self-propulsion and can extend over many particle diameters. Here we review the initial studies of long-ranged velocity correlations in solid-like systems of self-propelled particles. Then, we demonstrate that the long-ranged velocity correlations are also present in dense fluid-like systems. We show that the range of velocity correlations in dense systems of self-propelled particles is determined by the combination of the self-propulsion and the virial bulk modulus that originates from repulsive interparticle interactions.

研究动机与目标

• 研究此前在类固态活性系统中观察到的长程速度关联是否也存在于密集流体状活性物质中。
• 确定在无序流体状自驱动粒子系统中，这些关联的物理起源。
• 基于自驱动与流体弹性，建立一个解释活性流体中速度关联范围的理论框架。
• 区分持续时间与粒子间相互作用在决定关联长度中的作用。
• 阐明现有理论在描述活性流体中横向速度关联时的局限性。

提出的方法

• 对过阻尼活性布朗粒子进行广泛平衡与非平衡分子动力学模拟，采用多分散性以防止结晶。
• 使用速度关联函数 C(r) = ⟨v(r)·v(0)⟩/⟨v²⟩ 来量化等时速度关联。
• 基于本征结构（局域能量极小）进行正则模态分析，以模拟非晶体系的短时动力学。
• 建立连续弹性理论，将速度关联表达为体模量与剪切模量及持续时间的函数。
• 从模拟数据计算维里体模量 Bv = ρ∂ρPv，以量化流体抵抗压缩的能力。
• 在固定 v₀ 与固定 Ta（活性参数）条件下，比较理论预测与模拟结果在不同持续时间 τ 下的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在密集、无序、流体状的自驱动粒子系统中，长程速度关联是否仍然存在？
• RQ2 与有序固体相比，活性流体中速度关联范围的物理机制是什么？
• RQ3 关联长度如何依赖于持续时间 τ 及活性与密度等系统参数？
• RQ4 能否基于维里体模量与自驱动的简单理论解释观测到的纵向速度关联？
• RQ5 为何现有理论无法描述活性流体中的横向速度关联？

主要发现

• 在密集、流体状的自驱动粒子系统中，即使缺乏结构有序性，长程速度关联依然存在。
• 纵向速度关联长度 ξ∥ 在固定活性（v₀ 或 Ta）条件下，近似随 √τ 增大，与实验和模拟趋势一致。
• 关联长度可通过结合自驱动与维里体模量 Bv 的简单理论良好描述，公式为 ξ∥ = √(τBv/(γρ))。
• 维里体模量 Bv 在较宽的持续时间范围（136 至 148）内保持近似恒定，表明关联长度的增加主要源于 τ。
• 理论模型能准确预测纵向关联长度，但无法捕捉横向速度关联。
• 系统在整个参数范围内保持单相且液态特征，无相分离、结晶或结构冻结迹象，经径向分布函数与均方位移验证。