[论文解读] Non-equilibrium phases in suspensions of self-propelled colloidal particles controlled by phoretic mobility and hydrodynamics

Andrea Scagliarini, Ignacio Pagonabarraga|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Micro and Nano Robotics被引用 4

一句话总结

本研究采用一种完全解析流体动力学的介观方法，研究自推进胶体悬浮液，发现在马兰戈尼迁移率（phoretic mobility）为负时，系统会经历向团簇相的转变。团簇尺寸随活性线性增长，遵循指数分布，且流体动力学显著影响团簇的形态和生长动力学。

ABSTRACT

We study the collective dynamics of suspensions of self-propelled diffusiophoretic colloids, in (quasi)-2d configurations, by means of a novel mesoscopic method featuring fully resolved hydrodynamics. We show that the system displays a transition when changing the sign of the phoretic mobility (which accounts for the colloid-solute interactions) and, for negative values, it develops a cluster phase. We find that the cluster size distribution follows an exponential behaviour, with a characteristic size growing linearly with the colloid activity, while the density uctuations grow as a power-law with an exponent depending on the cluster fractal dimension. Our simulations indicate that hydrodynamics plays a relevant role in the aggregation kinetics, cluster morphology and significantly hinders the cluster growth.

研究动机与目标

• 理解马兰戈尼迁移率符号在决定自推进胶体集体行为中的作用。
• 研究流体动力学如何影响二维悬浮液中聚集动力学与团簇形态。
• 表征非平衡相中团簇尺寸与密度涨落的统计特性。
• 确定胶体活性对团簇尺寸分布与生长动力学的影响。

提出的方法

• 采用一种新颖的介观模拟方法，完全解析二维悬浮液中的流体动力学相互作用。
• 利用扩散马兰戈尼迁移率建模自推进胶体，以捕捉溶质-胶体相互作用。
• 模拟不同马兰戈尼迁移率符号与胶体活性水平的系统。
• 通过团簇尺寸分布与密度涨落统计分析团簇形成过程。
• 采用幂律与指数拟合方法表征团簇尺寸与密度涨落的标度行为。
• 通过与非流体动力学极限对比，量化流体动力学对团簇生长的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 反转马兰戈尼迁移率符号如何影响自推进胶体的集体动力学？
• RQ2 在负马兰戈尼迁移率区域，团簇尺寸分布如何依赖于胶体活性？
• RQ3 流体动力学相互作用如何影响团簇形态与生长动力学？
• RQ4 密度涨落中出现何种标度行为？其与团簇分形维数有何关联？
• RQ5 与非流体动力学情形相比，流体动力学在多大程度上抑制了团簇生长？

主要发现

• 当马兰戈尼迁移率为负时，系统发生向团簇相的转变，表明相互作用符号具有关键作用。
• 团簇尺寸分布呈指数衰减，特征团簇尺寸随胶体活性线性增加。
• 密度涨落呈幂律标度，指数依赖于团簇的分形维数。
• 流体动力学显著抑制团簇生长，减缓聚集动力学并改变形态。
• 存在解析的流体动力学时，团簇更紧凑且密度更低，相较于非流体动力学情形。
• 系统表现出非平衡行为，其中活性与流体动力学耦合主导相形成。