[论文解读] Phase separation and coarsening in active matter

Giuseppe Gonnella, Davide Marenduzzo+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2015

Micro and Nano Robotics参考文献 62被引用 1

一句话总结

本文综述了活性物质中的运动诱导相分离（MIPS），即自驱动粒子在无吸引力作用下因非平衡能量消耗而自发聚集的现象。通过非平衡统计力学框架，将MIPS置于经典相分离与粗化理论的理论体系中，揭示了持续运动如何驱动聚集，以及在细菌菌落中粗化动力学如何被抑制。

ABSTRACT

Active systems, or active matter, are self-driven systems which live, or function, far from equilibrium - a paradigmatic example which we focus on here is provided by a suspension of self-motile particles. Active systems are far from equilibrium because their microscopic constituents constantly consume energy from the environment in order to do work, for instance to propel themselves. The nonequilibrium nature of active matter leads to a variety of non-trivial intriguing phenomena. An important one which has recently been the subject of intense interest among biological and soft matter physicists is that of the so-called phase whereby self-propelled particles accumulate into clusters in the absence of any explicit attractive interactions between them. Here we review the physics of motility-induced phase separation, and discuss this phenomenon within the framework of the classic physics of phase separation and coarsening. We also discuss theories for bacterial colonies where coarsening may be arrested. Most of this work will focus on the case of run-and-tumble and active Brownian particles in the absence of solvent-mediated hydrodynamic interactions - we will briefly discuss at the end their role, which is not currently fully understood in this context.

研究动机与目标

• 理解在无显式吸引力作用下，活性物质系统中粒子自组织形成簇的机制。
• 将运动诱导相分离置于经典相分离与粗化理论的理论框架内。
• 研究在平衡系统中典型的粗化动力学在活性系统（如细菌菌落）中可能被抑制的机制。
• 探讨无流体相互作用下，趋化-停顿与活性布朗运动动力学在无吸引力条件下驱动相分离的作用。
• 指出关于溶剂介导的流体相互作用对活性物质中相分离影响的开放性问题。

提出的方法

• 采用非平衡统计力学框架，分析活性系统中的粒子动力学。
• 使用趋化-停顿或活性布朗运动模型描述自驱动粒子，不引入显式粒子间吸引力。
• 应用平均场理论与流体动力学理论，描述相分离的起始与演化过程。
• 建立活性物质相分离与平衡系统中经典相分离之间的类比。
• 利用粗粒化流体动力学方程描述粗化过程及其在细菌菌落模型中可能被抑制的现象。
• 简要讨论流体相互作用在调控相分离动力学中作用尚不明确的问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏吸引力相互作用的情况下，何种物理机制驱动活性物质中的相分离？
• RQ2 活性粒子的非平衡特性如何导致自发聚集与相分离？
• RQ3 在多大程度上可使用经典相分离与粗化理论来描述运动诱导相分离的动力学？
• RQ4 在如细菌菌落等活性系统中，何种因素可抑制粗化过程？
• RQ5 流体相互作用如何影响活性物质中簇的稳定性和形态？

主要发现

• 运动诱导相分离源于粒子自驱动与空间位阻排斥的相互作用，导致无显式吸引力下的自发聚集。
• 相分离由非平衡稳态驱动，其中粒子密度与活性梯度诱导了有效分相。
• 活性物质中的粗化动力学遵循与平衡系统类似的模式，域尺寸随时间增长。
• 在细菌菌落模型中，由于运动性、生长与受限条件之间的平衡，粗化过程可能被抑制，从而形成稳定簇结构。
• 流体相互作用的作用仍为开放问题，其在调控相分离动力学中的角色在活性系统中尚未完全明确。
• 尽管缺乏细致平衡，经典相分离的理论框架仍为理解活性物质聚集提供了有用的类比。