[论文解读] Validity of Fluctuation Theorem on Self-Propelling Particles

Ryo Suzuki, Haochuan Jiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2011

Spacecraft and Cryogenic Technologies被引用 6

一句话总结

本研究通过在交流电场下实验测量Janus粒子双体的旋转扭矩，验证了自驱动胶体粒子的涨落定理（FT）。作者采用两种独立的扭矩估算方法——基于FT的推断与斯托克斯定律——确认了结果的一致性，证明了FT在微尺度活性非平衡系统中的有效性。

ABSTRACT

The experimental application of fluctuation theorem (FT) on nanometer to submicrometer sized systems has received thorough attention in the past several years. Nonetheless, the employment of FT on self-propelling objects has seldom been performed due to experimental difficulties. In this paper, we applied FT on a doublet that is comprised of asymmetrically coated self-propelling colloidal particles (Janus particles), which experiences a continuous rotation by applying AC electric field. We found that FT is valid for rotating self-propelling colloids by evaluating the estimated rotary torque to coincide with another form of torque estimation, which considers the rotation speed of the doublet and a simple Stokes equation.

研究动机与目标

• 验证自驱动粒子组成的非平衡系统中涨落定理（FT）的有效性。
• 通过使用非对称涂层的Janus粒子，克服将FT应用于活性物质时的实验挑战。
• 比较基于FT的扭矩估算与基于斯托克斯定律的流体动力学预测，用于旋转运动。
• 在活性微系统中建立随机涨落与宏观力学行为之间的定量联系。

提出的方法

• 采用具有非对称涂层的Janus粒子双体，在交流电场下产生自驱动运动。
• 应用涨落定理，从粒子旋转的统计特性中估算旋转扭矩。
• 利用旋转速度和斯托克斯定律计算预期扭矩，即旋转球体在粘性流体中的阻力扭矩。
• 通过比较两种扭矩估算结果，验证涨落定理在活性系统中的一致性。
• 利用粒子旋转轨迹的实验数据提取涨落统计特性。
• 对角速度分布进行统计分析，通过FT推断有效扭矩。

实验结果

研究问题

• RQ1 涨落定理能否在自驱动微尺度粒子中通过实验得到验证？
• RQ2 基于涨落统计推断的扭矩与流体动力学预测相比如何？
• RQ3 涨落定理在多大程度上能够描述活性胶体的非平衡动力学？
• RQ4 基于FT的扭矩估算与基于斯托克斯定律的计算之间是否存在定量一致性？
• RQ5 随机涨落在决定活性系统中有效扭矩方面起什么作用？

主要发现

• 涨落定理成功预测了自驱动Janus粒子双体的旋转扭矩。
• 基于涨落定理估算的扭矩与基于斯托克斯定律和实测旋转速度计算的扭矩高度一致。
• 实验数据证实了涨落定理在微尺度活性非平衡系统中的有效性。
• 基于FT与流体动力学的扭矩估算结果的一致性，支持了活性物质系统在热力学上的一致性。
• 本研究证明，涨落定理可应用于具有持续能量输入和自驱动特性的系统。
• 结果验证了FT作为活性物质中预测工具的有效性，即使在远离平衡态的系统中亦成立。