Dynamic mode locking in a driven colloidal system: experiments and theory
在这篇文章中，我们研究了在正弦光学势能景观上由调制力驱动的胶体粒子的动力学。调制驱动器的竞争频率与周期性景观上的粒子运动的竞争频率之间的耦合导致粒子运动同步成离散模式。这种同步表现为平均粒子速度的步骤，其中模式锁定步骤覆盖平均驱动速度的范围。的幅度和频率的依赖性的步骤被认为是，从解析理论，朗之万动力学模拟，和动态密度泛函理论的结果进行比较。此外，临界驱动速度进行了研究，并使用模拟来扩展在实验中可访问的条件范围。最后，从实验，仿真和理论的状态图被用来显示在两个维度的动态锁定模式的程度，作为调制驱动的振幅和频率的函数。
2016-11-02 cond-mat.soft
Single-file dynamics of colloids in circular channels: time scales, scaling laws and their universality
在胶体系统中，布朗运动来自与溶质和溶剂组分的特征动力学相关的时间和长度尺度的大量分离。这种尺度的分离在胶体动力学中产生了几个时间机制，当与粒子之间的相互作用、约束条件和状态变量（如密度和温度）的影响相结合时。一些例子是在二维和三维开放系统中的短时间和长时间制度，以及沿直线的单列动力学中观察到的扩散和亚扩散制度。这项工作研究的方式，其中一个限制几何诱导新的时间尺度。我们报告的动态相互作用的胶体粒子沿一个圆圈移动相结合的启发式理论分析所涉及的尺度，布朗动力学计算机模拟，和视频显微镜实验与顺磁性胶体局限于光刻圆形通道进行外部磁场。该系统显示四个时间制度，在这个顺序：一维自由扩散，单文件子扩散，自由集群旋转扩散，和预期的饱和度，由于限制。我们还报告的均方角位移和交叉时间从缩放参数，准确地再现实验和模拟的解析表达式。我们的通用方法可用于预测许多其他受限物理系统的长时间动态。
2021-06-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Tunable interactions between paramagnetic colloidal particles driven in a modulated ratchet potential
我们从实验和理论上研究了分散在水中的顺磁粒子与驱动到条纹图案化磁性石榴石膜表面上方的顺磁粒子之间的相互作用。外部旋转磁场调制石榴石膜的杂散场，并产生诱导定向粒子运动的平移势场。通过改变旋转场的椭圆率，我们将粒子间的相互作用从净吸引调整为净排斥。对于有吸引力的相互作用，我们表明，粒子对可以相互接近，形成稳定的双峰，然后沿着调制景观以恒定的平均速度。我们测量运动粒子之间的吸引力的强度，并提出了一个易于分析的模型，解释了观测结果，并与实验定量一致。
2014-01-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Single-File Diffusion of Atomic and Colloidal Systems: Asymptotic Laws
在这项工作中，我们提出了一个一般的推导的非菲克行为的自扩散的相互作用相同的粒子系统排除相互通过。我们发现，发现一个粒子在位置$x_{t}$后，时间$t$，当粒子位于$x_{0}$在$t=0$的条件概率分布，遵循高斯分布的长时间限制，方差$2W(t)\sim t^{1/2}$的过阻尼系统和方差$2W(t)\sim t$的经典系统。均方位移的渐近行为，$W(t)$，被证明是独立的流体状态下的均匀系统的相互作用的性质。此外，自扩散的长期行为是由短时间和大尺度集体密度涨落决定的。
2002-11-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Mode-locking in a colloidal ring driven by power-modulated optical tweezers
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；National Central University（中央大学）；National Center for Theoretical Sciences（国家理论科学中心）
通过功率调制光镊在合成频率空间中实现胶体环的定向锁定，产生离散的速度平台和超晶格结构，为控制粒子簇输运提供新策略。
2026-06-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Stochastic ratcheting of two dimensional colloids : Directed current and dynamical transitions
我们提出了分子动力学模拟的结果，二维排斥相互作用的胶体驱动的一维非对称和相称的棘轮势，开关随机。这驱动胶体的时间平均定向电流，表现出与棘轮频率变化的共振，其中共振频率本身非单调地取决于密度。使用缩放参数，我们得到的分析结果与数值模拟显示出良好的一致性。随着棘轮频率的增加，我们发现非平衡重入固体和调制液相之间的转变。
2015-06-24 cond-mat.soft
Fast and rewritable colloidal assembly via field synchronized particle swapping
我们报道了一种利用外部调制磁性衬底上粒子缺陷的受控运动来实现可重构胶体晶体的技术。通过向铁氧体石榴石膜施加均匀旋转磁场来诱导颗粒的传输，所述铁氧体石榴石膜的特征在于磁泡的周期性晶格。对于填充因子大于一个胶体每个气泡域，粒子电流产生于传播缺陷，其中粒子同步交换它们的位置时，从一个被占领的域传递到下一个。所施加的交变磁场的振幅可用于通过交换机制置换多余的颗粒，或以预定速度移动整个胶体系统。
2015-07-07 cond-mat.soft
Giant Colloidal Diffusivity on Corrugated Optical Vortices
围绕周期性调制的光学涡旋阱循环的单个胶体球可以进入动态状态，在该动态状态中，它在自由地围绕环状光学涡旋运行和被捕获在局部势能最小值之间间歇地交替。这种随机切换状态下的速度波动仍然具有线性爱因斯坦扩散定律的特征，但有效扩散系数增加了两个数量级以上。
2006-03-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
From random walk to single-file diffusion
我们报告了一个准一维（q1D）的胶体悬浮液中的扩散行为像一个唐克斯气体的实验研究。作为时间的函数的均方位移被很好地描述，其中包含比碰撞之间的平均时间更短和更长的时间范围。该分析认为，逆均方位移是短时正态扩散（随机游走）的逆均方位移和渐近单列扩散（SFD）的逆均方位移之和。单文件的1D流动性的浓度上的胶体同意定量与硬杆模型，这证实了第一次的有效性的硬杆SFD理论推导。我们还表明，最近的SFD理论Kollmann导致硬棒SFD理论的Tonks气体。
2005-04-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
RMPCDMD: Simulations of colloids with coarse-grained hydrodynamics, chemical reactions and external fields
RMPCDMD软件包执行混合分子动力学模拟，耦合多粒子碰撞动力学来模拟溶剂，耦合分子动力学来模拟悬浮胶体，包括流体动力学、热波动和化学活性溶剂粒子和催化胶体。RMPCDMD的主要用途是模拟化学动力纳米马达，但也考虑了其他设置：存在热梯度或强制流动的胶体。RMPCDMD是在Fortran 2008中开发的，带有用于多线程操作的OpenMP，并使用基于HDF5的H5MD文件格式存储数据。RMPCDMD附带了用于模拟化学动力纳米马达的文档和教程。
2016-08-17 cond-mat.soft physics.comp-ph
Curvature induces and enhances transport of spinning colloids through narrow channels
该研究结合实验与模拟，发现曲率可通过旋转-平移流体动力学耦合诱导增强磁驱动旋转胶体在窄圆通道的输运，还实现了受驱单文件系统的集体输运实验，为理解弯曲微流控颗粒动力学提供依据。
2024-09-11 cond-mat.soft
Magnetic particles confined in a modulated channel: structural transitions tunable by tilting a magnetic field
研究了调制通道中胶体磁性粒子的基态随外加磁场倾角的变化。粒子被限制在横向上的抛物线电位，而在轴向方向上的周期性衬底电位存在。通过蒙特卡罗（MC）模拟，我们构建了不同晶体结构的相图，它是磁场取向、调制势强度和系统可调因子的函数。有趣的是，我们发现了不同晶体结构之间的一级和二级相变，这可以通过外部磁场的取向来操纵。一个重入的行为之间的两个和四链的配置，连续的二级转变。新的配置被发现包括冻结在孤子。通过改变磁场的取向和/或强度和/或周期性衬底电势的强度和空间频率，系统转变通过不同的相位。
2014-01-03 cond-mat.soft
The crossover from single file to Fickian diffusion
从单列扩散（其中均方位移标度为<x^2> ~t^（1/2））到正常Fickian扩散（其中<x^2>~t $, is studied as a function of channel width for colloidal particles. By comparing Brownian dynamics to a hybrid molecular dynamics and mesoscopic simulation technique, we can study the effect of hydrodynamic interactions on the single file mobility and on the crossover to Fickian diffusion for wider channel widths. For disc-like particles with a steep interparticle repulsion, the single file mobilities for different particle densities are well described by the exactly solvable hard-rod model. This holds both for simulations that include hyd…
2009-05-11 cond-mat.soft
Single file dynamics in soft materials
术语单列（SF）动力学是指颗粒集合体通过具有与颗粒直径相当的横截面的通道的运动。单行扩散（SFD）则是标记颗粒在\emph{single file}中的扩散，即，在不允许颗粒通过的情况下。SFD解释了自然界中各种各样的过程，包括胶体在合成和天然形状的通道中的扩散，沿着分子链的生物马达，蛋白质和液氦中的电子，通过膜的离子，仅举几个例子。尽管在'65年引入，在过去的十年中，SF动力学的经典概念已经被推广到通过更现实的建模来解释，其中包括粒子属性，文件几何形状，粒子-粒子和通道-粒子相互作用，从而为例如生物集成纳米器件技术中的显着应用铺平了道路。然后，我们提供了一个全面的回顾SF动力学理论和随后的实验实现的最新进展。
2022-06-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Insights from Single-File Diffusion into Cooperativity in Higher Dimensions
由于笼效应，胶体悬浮液中的扩散可能非常缓慢，笼效应一方面将每个颗粒限制在短半径内，另一方面涉及大规模的合作运动。为了深入了解这种协同性，作者在这里开发了一种形式主义来计算胶体系统中的位移相关性，主要是在二维的情况下。为了阐明这一观点，本文综述了一维情况下粒子间协同效应的研究，即单列扩散（SFD）。作为对Alexander和Pincus关于SFD均方位移（MSD）的著名公式的改进，本文指出，在一维情况下，SFD中的位移关联可以由粒子间距的拉格朗日关联计算，并且该公式可以推广到高维情况。改进后的公式对于大系统是精确的。通过将该公式与非线性相关理论相结合，得到了对SFD中MSD渐近规律的修正。在二维情况下，线性理论给出了涡的协同运动的描述。
2017-03-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Synchronous versus asynchronous transport of a paramagnetic particle in a modulated ratchet potential
我们提出了一个相结合的实验和理论研究描述的动态制度所显示的顺磁性胶体粒子外部驱动的条纹图案的磁性石榴石薄膜。圆极化旋转磁场调制石榴石薄膜的杂散场，并产生一个平移的周期性电位，诱导粒子运动。增加的驱动频率，我们观察到一个过渡，从一个锁相运动与恒定的速度，以一个较低的速度，由于失去同步与移动电位的滑动动力学。我们解释的实验结果与分析听话的理论模型和解释的粒子动力学中存在的热噪声。该模型与实验结果吻合较好。
2013-07-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Role of the potential landscape on the single-file diffusion through channels
胶体颗粒通过狭窄通道的运输在细胞生物学中普遍存在，并且对于微流体应用或靶向药物递送变得越来越重要。细胞膜通道由于其高效率、高选择性和对外界波动的鲁棒性而成为人工设计的有用模型。在这里，我们模拟被动通道，让货物简单地通过它们扩散，沿途的潜在配置文件的影响。被动转运蛋白通过与通道内的货物结合相互作用实现高水平的效率和特异性。然而，这导致了一个悖论：为什么如此狭窄以至于被其货物阻塞的通道会进化为具有用于其货物的结合区域，如果这将有效地阻塞它们？使用布朗动力学模拟，我们表明，不同的潜力，特别是对称的，通过狭窄的被动通道增加通量-和调查的形状和深度的潜力如何影响通量。我们发现，存在某些潜在的形状的最佳深度，它是最有效的应用一个小的力在一个扩展区域的通道。另一方面，具有几个空间离散的结合袋将不会显著改变通量。我们还探讨了多粒子效应所产生的成对粒子与他们的邻居的相互作用的作用，并证明了通量的相对变化可以占在通道的末端的吸收反应的动力学。
2014-09-15 cond-mat.soft
Statistically Locked-in Transport Through Periodic Potential Landscapes
经典粒子驱动通过周期性调制的势能景观预测遵循魔鬼的阶梯层次相称的轨迹取决于方向的驱动力。最近的实验胶体球流过阵列的光学陷阱确实揭示了这样的层次结构，但不是与预测的结构。此外，微观轨迹似乎是随机的，只有在统计意义上才出现可重复性。我们引入了一个理想化的模型，周期性调制的运输存在的随机性，捕捉这种统计锁定状态的结构和统计。
2003-11-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Dynamic arrest of colloids in porous environments: disentangling crowding and confinement
利用数值模拟，我们研究了胶体硬球流体吸附在无序硬球障碍物矩阵的缓慢动力学。我们分别计算了自由粒子和俘获粒子对单粒子动力学关联函数的贡献。该分离基于Delaunay镶嵌，以将流体颗粒中心可访问的空间划分为分离和断开的空隙。我们发现，捕获的颗粒到断开的空隙的矩阵是负责的外观的非零的长时间高原的单粒子中间散射功能的完整的流体。亚扩散指数$z$，从对数导数的均方位移，观察到被困粒子的运动基本上是不受影响的：接近渗流过渡，我们确定$z \simeq 0.5$的完整的流体和颗粒移动在膨胀的空隙。值得注意的是，相同的值的$z$被发现在单列扩散，也预测沿扩散定位线的模式耦合理论。我们还揭示了微妙的动态异质性的影响，在自由和被困的流体颗粒的组成部分，并讨论了微观机制，有助于这种现象。
2011-06-15 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Generalised density profiles in single-file systems
单列扩散是指粒子在狭窄通道中的运动，这些粒子不能绕过彼此。粒子之间的这些强相关性导致示踪剂亚扩散，这已经在多孔介质、沸石或受限胶体悬浮液中的运输等不同的背景下观察到，并且在许多作品中进行了理论研究。对这个著名的多体问题的大多数方法仅限于示踪剂的描述，示踪剂的基本性质，如大偏差函数或两次关联函数，直到最近才被确定。在这里，我们超越了这个标准的描述，通过引入和确定分析广义密度分布（GDP）的框架中的示踪剂。除了控制示踪剂的统计特性之外，这些量还充分地证实了示踪剂位置与熔池颗粒密度之间的相关性。考虑到问题的流体动力学限制，我们揭示了普遍的缩放性质的GDP与空间和时间，和非单调的依赖性与距离的示踪剂，尽管没有任何不对称。我们的分析方法提供了精确的结果的GDPs的范式模型的单列扩散，如布朗粒子与硬核排斥，对称排斥过程和随机平均过程。我们的方法的适用范围进一步说明考虑扩展到一般粒子之间的相互作用和平衡的情况。
2021-08-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Bidirectional particle transport and size selective sorting of Brownian particles in a flashing spatially periodic energy landscape
我们展示了一个尺寸敏感的实验方案，使双向运输和分馏的顺磁性胶体在流体介质中。结果表明，两种类型的磁性胶体颗粒具有不同的尺寸可以同时在相反的方向上传输，当沉积在条纹图案的铁氧体石榴石薄膜进行方波磁调制。由于它们的大小不同，粒子位于表面上方的不同高度，并且它们经历由调制的磁性基底产生的两种不同的能量景观。通过结合理论论证和数值模拟，我们揭示了这样的能量景观，这充分解释了双向传输机制。所提出的技术不需要预先施加的通道几何形状，如在传统的微流体或芯片实验室系统，并允许遥控粒子的运动，速度和轨迹，通过使用相对较低的强度磁场。
2016-10-14 cond-mat.soft
Confinement and shear effects on the rotational diffusion of a minimal virus-inspired colloidal particle
División de Ciencias e Ingenierías, Universidad de Guanajuato（瓜纳华托大学理学院与工程学院）
通过耗散粒子动力学模拟，研究振荡剪切流和受限空间对带有二聚体的刚性球体（模拟包膜病毒）旋转扩散的影响，发现旋转扩散系数受流动振幅强烈调制，而受刺突数量影响较弱。
2026-05-26 cond-mat.soft
ColPackAgent: Agent-Skill-Guided Hard-Particle Monte Carlo Workflows for Colloidal Packing
Neutron Scattering Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN 37831, USA（奥克勒德国家实验室中子散射部）
ColPackAgent通过MCP工具服务器和代理技能实现胶体堆积模拟的自主工作流程，展示了如何利用LLM代理执行模拟任务并评估不同模型的性能。
2026-05-15 cond-mat.soft cs.AI
Phase transitions in a ferrofluid at magnetic field induced microphase separation
在存在垂直于薄样品层施加的磁场的情况下，磁性胶体颗粒（铁磁流体）的悬浮液可以形成具有特征长度的空间调制相，所述特征长度由偶极力和短程力之间的竞争来确定，所述短程力与密度变化相反。我们介绍模型的薄膜铁磁流体中的磁化强度和粒子密度被视为独立变量，其中的非磁性的胶体粒子的性质所描述的晶格气体熵或卡纳汉-斯特林自由能。我们的描述特别适合于在许多实验中研究的低粒子密度区域。在平均场论，我们发现各向同性，六方和条纹相，一般由一阶相界分离。
2001-03-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Two-dimensional fluid with competing interactions exhibiting microphase separation: theory for bulk and interfacial properties
被限制在诸如空气-水界面的界面上的胶体颗粒是二维流体的示例。这种分散体已被观察到自发地形成簇和条纹形态在某些系统中的粒子之间的各向同性对电位，由于事实上，对胶体之间的相互作用具有竞争的吸引力和排斥力在不同的长度尺度。在这里，我们提出了一个简单的密度泛函理论的模型，这样的二维流体。该理论预测的散装相图展示集群，条纹和气泡调制相，除了均匀的流体相。与文献中的仿真结果比较，我们发现该理论是定性可靠的。该模型允许的流体的结构的详细调查，我们能够获得简单的近似表达式的静态结构因子和长度尺度表征的调制在微相分离的阶段。我们还调查了两个平行的硬墙之间的限制下的系统的行为。我们发现受限流体的相行为可能相当复杂。
2008-08-29 cond-mat.soft
Order-preserving dynamics in one dimension -- single-file diffusion and caging from the perspective of dynamical density functional theory
动力学密度泛函理论（DDFT）是一个研究胶体非平衡性质的强有力的变分理论框架，它只考虑与时间相关的单体数密度。尽管最近取得了大量的成功，但在DDFT中正确建模相互作用系统中的长期动力学仍然是一个众所周知的难题，因为结构信息，占临时或永久粒子笼，丢失。在这里，我们通过将其简化为一个干净的一维问题来解决这样的笼子场景，其中粒子通过它们的两个相邻的完美笼子自然有序（排列在一条线上）。特别是，我们构建了一个DDFT近似的基础上的平衡系统与非对称对势，使相应的单体密度仍然进行足迹的粒子顺序。应用到一个系统的限制硬棒，这种秩序保持动力学（OPD）在系统边界产生精确的结果，除了印迹正确的长时间行为的密度分布代表个别粒子。在一个开放的系统中，我们的方法正确地再现了减少的长时间扩散系数和subdiffusion，特性为一个单一的文件设置。这些观察不能使用当前形式的DDFT没有粒子顺序。
2021-01-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Single-File Diffusion of Active Brownian Particles
本研究通过模拟与理论，揭示了活性布朗粒子单文件扩散的短时弹道与长时次扩散行为，并扩展了广义一维迁移率至活性系统，为受限活性输运调控提供框架。
2025-05-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Ratchet effect and jamming in dense mixtures of active and passive colloids in narrow pores
本文基于广义排除过程框架研究狭窄周期孔隙中活性与被动粒子混合物，发现活性粒子驱动产生棘轮电流，高密度下系统转变为堵塞状态，且堵塞时间呈指数分布，同时揭示了演化中被动粒子电流的缓慢趋近与反转现象。
2025-08-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Direct measurement of the effective charge in nonpolar suspensions by optical tracking of single particles
我们展示了一种新的技术，用于测量由胶体颗粒所携带的电荷。该技术利用的现象的共振粒子举行的光镊陷阱和驱动的正弦电场。被捕获的粒子形成强阻尼谐振子，其波动是$γ$的函数，$γ$是粒子上的电力和热力的均方根平均值的比率。在低施加场（其中$γ\ll 1$）下，粒子被限制在光轴上，而在高场（$γ\gg 1$）下，粒子的概率分布是双峰的。使用干涉位置检测器测量具有纳米灵敏度的经调制的热波动。电荷，低至几个元电荷，可以以大约0.25 $e$的不确定度测量。这是显着优于以前的技术，并开辟了新的可能性，研究非极性悬浮液。
2007-01-26 cond-mat.soft
Memory-Induced Transport and Arrest in Flashing Ratchets: From Superdiffusion to Clustering
研究揭示了在单文件运动中，非马尔可夫噪声诱导粒子从超扩散到聚团的动态转变，为拥挤系统输运调控提供新视角。
2025-12-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Exact time-dependent correlation functions for the symmetric exclusion process with open boundary
作为一个简单的模型，我们研究的一维对称排斥过程的单列扩散的硬核粒子。我们考虑一个开放的半无限系统，其中一端耦合到恒定密度$ρ^\ast$的外部库，并且初始处于具有体积密度$ρ_0$的非平衡态。我们计算了精确的时间相关两点密度关联函数$C_{k,l}(t)\equiv <n_k(t)n_l(t)>- <n_k(t)><n_l(t)>$以及已进入（或离开）系统的粒子的积分平均净通量的均值和方差$N(t)-N(0)$直至时间$t$。我们发现，半无限松弛系统的边界区域处于类似于有限定态系统在边界梯度驱动下的体态。对称排除模型提供了一个罕见的例子，这种行为可以严格证明的水平上的等时间两点关联函数。纠缠聚合物的弛豫动力学和胶体系统中的单列扩散的一些影响进行了讨论。
2001-10-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Enhancing nanoparticle diffusion on a unidirectional domain wall magnetic ratchet
纳米级磁性器件的性能通常受到热波动的限制，而在微纳流体应用中，相同的波动可用于扩散反应物或药物。在这里，我们展示了受控的运动和增强的磁性纳米粒子的扩散，操纵和驱动跨越一系列的布洛赫壁内的外延生长的铁氧体石榴石膜。我们使用旋转的磁场来产生行波势，其以频率可调的速度单向地传输纳米颗粒。引人注目的是，我们发现沿推进方向的扩散增强和频率依赖的扩散系数，可以通过改变系统参数精确地控制。为了解释所报道的现象，我们开发了一种理论方法，该方法显示出与实验数据的公平一致性，从而能够精确解析表达磁调制周期性景观上方的增强扩散率。我们的技术，以控制驱动的磁性纳米粒子的热波动代表了一个通用的和强大的方式来可编程地传输磁性胶体物质的流体，打开了大门，不同的流体应用的基础上，利用磁畴壁棘轮。
2018-11-14 cond-mat.soft
Ion pairing controls rheological properties of "processionary" polyelectrolyte hydrogels
我们最近证明，聚电解质与阳离子部分沿链和一个单一的阴离子头能够形成物理水凝胶由于可逆性质的头-体离子键。在这里，我们产生了各种这样的聚电解质与各种阳离子部分和counterweight组合从一个共同的聚合物平台开始。我们表明，最终的水凝胶的流变性能（剪切模量，临界应变）可以调制超过三个数量级，这取决于阳离子/阴离子对。我们的数据非常适合在一个缩放模型，涉及一个超分子的头到尾的单文件之间的交联，类似于松树游行毛虫的行为。该模型允许从标准流变学程序定量测量对流冷凝的量。
2016-11-23 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
