[论文解读] Structure and mechanics of active colloids

M. Cristina Marchetti, Yaouen Fily+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2015

Micro and Nano Robotics参考文献 55被引用 3

一句话总结

本文研究了活性胶体——自驱动粒子所生成内力的结构与力学行为。通过计算模拟与统计力学方法，揭示了活性如何诱导相分离并产生涌现弹性，关键发现表明活性应力可稳定非平衡结构，并改变软材料的力学响应。

ABSTRACT

11 pages Acknowledgments MCM thanks Xingbo Yang and Lisa Manning for their contribution to some aspects of the work reviewed here and for fruitful discussions. MCM was supported by NSF-DMR-305184. MCM and AP acknowledge support by the NSF IGERT program through award NSF-DGE-1068780. MCM, AP and DY were additionally supported by the Soft Matter Program at Syracuse University. AP acknowledges use of the Syracuse University HTC Campus Grid which is supported by NSF award ACI-1341006. YF was supported by NSF grant DMR-1149266 and the Brandeis Center for Bioinspired Soft Materials, an NSF MRSEC, DMR-1420382.

研究动机与目标

• 理解自驱动胶体粒子在活性应力作用下如何组织成非平衡结构。
• 研究活性胶体的力学响应，特别是活性如何改变弹性与相行为。
• 识别活性诱导应力在稳定软物质系统中涌现结构中的作用。
• 弥合理论模型与胶体悬浮液实验观测之间的差距。
• 探讨活性应力对设计可调谐、响应性软材料的启示。

提出的方法

• 采用计算模拟方法，对具有持续运动与随机力的自驱动胶体进行建模。
• 应用统计力学框架，分析非平衡稳态与相行为。
• 使用平均场近似，从活性粒子动力学推导有效应力张量。
• 通过结构序参量与关联函数分析，量化相分离与团簇形成。
• 引入外场与边界条件，探究机械稳定性和响应特性。
• 利用高性能计算资源模拟大尺度系统，提升统计收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 自驱动粒子产生的活性应力如何导致胶体悬浮液中的相分离？
• RQ2 在外部加载或受限条件下，活性胶体的力学响应如何？
• RQ3 活性如何改变胶体网络的弹性模量与结构刚度？
• RQ4 活性胶体在何种条件下可形成稳定、非平衡的结构？
• RQ5 流体动力学相互作用与直接粒子相互作用如何竞争，共同塑造活性物质的形态？

主要发现

• 自驱动产生的活性应力可驱动相分离，形成致密与稀疏区域，即使在无吸引力相互作用下亦可实现。
• 由于活性应力的长程关联，系统表现出涌现弹性，导致非零的有效剪切模量。
• 相分离结构由活性稳定，且存在宏观相分离所需的临界活性阈值。
• 活性胶体的力学响应显著偏离平衡系统，表现出应变硬化行为。
• 模拟结果表明，活性涨落会抑制晶体有序，但促进具有增强机械韧性的瞬态动态网络。
• 高性能计算使大尺度系统研究成为可能，证实活性效应随粒子密度与持续时间呈比例增长。