[论文解读] Perspective: Nonequilibrium glassy dynamics in dense systems of active particles

Ludovic Berthier, Elijah Flenner+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2019

Material Dynamics and Properties参考文献 111被引用 26

一句话总结

本文综述了密集活性物质系统中非平衡玻璃态动力学，其中自驱动与拥挤效应竞争，诱导出类似于玻璃化转变的动力学阻挫。通过使用最小化模型（如无热活性 Ornstein-Uhlenbeck 粒子（AOUPs）和活性布朗粒子），作者表明活性动力学通常会导致非平衡玻璃化转变，理论框架已扩展至模式耦合和平均场方法，以捕捉活性系统中的静态与动态关联。

ABSTRACT

Despite the diversity of materials designated as active matter, virtually all active systems undergo a form of dynamic arrest when crowding and activity compete, reminiscent of the dynamic arrest observed in colloidal and molecular fluids undergoing a glass transition. We present a short perspective on recent and ongoing efforts to understand how activity competes with other physical interactions in dense systems. We first review recent experimental work on active materials that uncovered both classic signatures of glassy dynamics and intriguing novel phenomena at large density. We introduce a minimal model of self-propelled particles where the competition between interparticle interactions, crowding, and self-propulsion can be studied in great detail. We discuss more complex models that include some additional, material-specific ingredients. We end with some general perspectives on dense active materials, suggesting directions for future research, in particular for theoretical work.

研究动机与目标

• 理解活性、拥挤效应及粒子间相互作用如何竞争，从而在密集活性系统中引发动力学阻挫。
• 通过将非平衡理论框架扩展至活性系统，弥合平衡玻璃理论与活性物质之间的鸿沟。
• 识别活性玻璃态动力学的普适特征，并将其与零活性极限下的阻塞转变区分开来。
• 通过评估现有理论的有效性并识别关键开放挑战，为未来理论与模拟工作提供指导。
• 探索在外加驱动力作用下，活性系统中是否存在流动玻璃或流动晶体等新物态的可能性。

提出的方法

• 使用最小化模型：无热活性 Ornstein-Uhlenbeck 粒子（AOUPs）以隔离自驱动与拥挤效应的影响。
• 应用模式耦合理论（MCT）和平均场 p-spin 方法，预测活性系统中的非平衡玻璃化转变。
• 对动力学密度泛函理论（DDFT）进行改进，以包含活性力和非平衡静态关联。
• 比较假设已知静态结构的理论与自洽计算自驱动时间演化过程的理论。
• 采用“瞬态积分”（ITT）方法，模拟在活性驱动力作用下的稳态动力学。
• 通过与模拟结果对比，对理论进行定量验证，将测得的静态关联作为模式耦合方程的输入。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使在无热噪声的情况下，是否可以普遍预测密集活性系统中的非平衡玻璃化转变？
• RQ2 活性自驱动如何改变平衡玻璃形成体中观察到的笼效应与动态异质性？
• RQ3 非平衡静态关联在稳定或 destabilize 活性物质中的玻璃态方面起什么作用？
• RQ4 在何种条件下，活性系统中可能形成流动玻璃或流动晶体态？
• RQ5 不同理论框架（如 MCT、p-spin、RFOT）在预测活性系统中动态阻挫起始方面如何比较？

主要发现

• 非平衡玻璃化转变是密集活性系统的一个普遍特征，多种理论框架（包括模式耦合和平均场方法）均能预测该现象。
• 基于无热 AOUPs 和活性布朗粒子的理论模型一致预测了由自驱动与拥挤竞争驱动的动力学阻挫转变。
• 包含自驱动时间演化和非平衡静态关联的理论模型——如 Szamel（2015, 2016）和 Voigtmann（2017）提出的理论——在捕捉正确物理机制方面展现出巨大潜力。
• 活性动力学导致显著的动态异质性和两步松弛行为，与平衡玻璃形成体类似，但具有独特的非平衡特征。
• 理论预测表明，机械或活性驱动力可微妙地改变玻璃化转变，某些情况下甚至可能抑制该转变。
• 通过模拟测试对理论进行定量验证——将测得的静态关联作为模式耦合方程的输入——是提升理论准确性与预测能力的关键下一步。