[论文解读] Metamaterials for Active Colloid Transport

Shahrzad Yazdi, Juan L. Aragones+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2020

Micro and Nano Robotics被引用 4

一句话总结

本文提出一种动态超材料系统，通过调制自旋振幅和晶格对称性，实现对主动旋转胶体的精确、可调制控制。通过耦合这些参数，作者在一维或二维晶格中实现了单向、弹道输运，展示了受对称性保护和调制的输运模式，具有在微流体和微型机器人中的潜在应用价值。

ABSTRACT

Transport phenomena in out-of-equilibrium systems is immensely important in a myriad of applications in biology, engineering and physics. Complex environments, such as the cytoplasm or porous media, can substantially affect the transport properties of such systems. In particular, recent interest has focused on how such environments affect the motion of active systems, such as colloids and organisms propelled by directional driving forces. Nevertheless, the transport of active matter with non-directional (rotational) activity is yet to be understood, despite the ubiquity of rotating modes of motion in synthetic and natural systems. Here, we report on the discovery of spatiotemporal metamaterial systems that are able to dictate the transport of spinning colloids in exquisite ways based on solely two parameters: frequency of spin modulation in time and the symmetry of the metamaterial. We demonstrate that dynamic modulations of the amplitude of spin on a colloid in lattices with rotational symmetry give rise to non-equilibrium ballistic transport bands, reminiscent of those in Floquet-Bloch systems. By coupling these temporal modulations with additional symmetry breaking in the lattice, we show selective control from 4-way to 2-way to unidirectional motion. Our results provide critical new insights into the motion of spinning matter in complex (biological) systems. Furthermore, our work can also be used for designing systems with novel and unique transport properties for application in, for example, smart channel-less microfluidics, micro-robotics, or colloidal separations.

研究动机与目标

• 理解胶体中非方向性（旋转）活性与结构化非平衡环境之间的相互作用。
• 解决尽管旋转胶体在合成和生物系统中普遍存在，但其输运仍缺乏有效控制的问题。
• 设计利用时间调制与空间对称性的超材料，以工程化选择性、方向性输运主动旋转粒子。
• 将弗洛凯-布洛赫系统原理拓展至活性物质，实现对涌现输运态的控制。

提出的方法

• 系统采用牛顿流体中二维周期性柱阵列，约束具有受控角速度的旋转胶体。
• 通过建模流体动力学力（排斥力与切向力）和静电吸引力，确定胶体上的合力场。
• 施加自旋振幅的时间调制，以杂交晶格中的束缚态，形成非平衡输运能带。
• 通过Y向偏移或XY向偏移的晶格打破旋转对称性，实现弹道轨迹的开启。
• 通过调制自旋速度（Ω）的振幅，选择在反演对称性破缺晶格中运动方向（正或负x方向）。
• 模拟在高佩克莱特数（Pe → ∞）条件下进行，以消除热涨落影响，聚焦于确定性动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何结合自旋振幅的时间调制与晶格对称性，以控制旋转胶体的输运？
• RQ2 旋转对称性在实现活性物质中稳健、对称性保护的弹道输运中起什么作用？
• RQ3 能否利用晶格中的反演对称性破缺来选择旋转胶体的单向运动？
• RQ4 活性调制与晶格几何结构之间的相互作用如何导致选择性输运模式（如四向、双向、单向）？
• RQ5 该系统在多大程度上可推广至其他涡旋或旋转活性系统？

主要发现

• 在旋转对称晶格中进行自旋振幅的时间调制，可导致非平衡弹道输运能带的出现，类似于弗洛凯-布洛赫态。
• 在Y向偏移和XY向偏移的晶格中，旋转对称性的破缺无需振幅调制即可开启弹道轨迹，实现稳健的一维输运。
• 当旋转对称性被破坏时，运动自由度减少至一维（例如x方向），使运动被限制在一条线上。
• 通过在XY向偏移晶格中破坏反演对称性并调制自旋振幅，可利用调制相位τ选择性控制运动方向（正或负x方向）。
• 该系统实现了单向输运，且其行为对调制频率和晶格对称性具有明确依赖关系，实现了对胶体运动的可编程控制。
• 旋转体的弹道运动类似于量子霍尔效应中的边缘态，暗示其与活性物质中拓扑输运存在深层联系。