From single-particle to collective effective temperatures in an active fluid of self-propelled particles
我们提出了一个全面的分析有效的温度波动耗散关系的基础上的模型的主动流体组成的自走硬盘。我们首先调查的相关性的有效温度在稀和中等密度的流体。我们发现,一个独特的有效温度一般不表征在这个广泛的密度范围内的活性流体的非平衡动力学,因为波动耗散关系产生的长度尺度依赖的有效温度。相比之下,我们发现,在非常大的密度的非平衡玻璃化转变的方法是伴随着一个独特的有效温度的出现共享的波动在所有的长度尺度。这表明,由于在非平衡玻璃化转变时发生的集体冻结,在活性颗粒的非常致密的悬浮液中,通常会出现有效的热动力学。
2015-06-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Glassy dynamics of athermal self-propelled particles: Computer simulations and a nonequilibrium microscopic theory
我们结合计算机模拟和分析理论来研究在自推进的唯一影响下演化的无热粒子的致密组装体中的玻璃态动力学。模拟结果表明,当自推进粒子的持续时间增加时,局部结构变得更加明显,而长时间动力学首先加速,然后减慢。这些看似矛盾的演变解释通过构建一个非平衡模式耦合的相互作用自推进粒子的理论。为了预测集体动力学,理论需要定态结构因子和定态局部速度相关。它产生非平凡的预测与模拟定性一致的自推进粒子的玻璃动力学。
2015-05-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Nonequilibrium glassy dynamics of self-propelled hard disks
我们分析了集体动力学的自推进粒子在大密度制度被动粒子进行动力逮捕到一个无定形的玻璃态。我们捕获的竞争之间的自推进和拥挤的影响,使用一个二维模型的自推进硬盘,我们研究使用蒙特卡罗模拟。虽然活动驱动系统远离平衡,自推进粒子进行动力学逮捕,我们详细描述和比较其平衡对应。特别是,动态逮捕的临界密度不断转移到更大的密度,随着活动的增加,和松弛时间是令人惊讶的,以及描述的代数发散产生的高度集体动力学的出现。这些结果表明,活性粒子的致密组件进行非平衡玻璃化转变,这是深刻的影响,自推进机制。
2014-05-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Vortex arrays and meso-scale turbulence of self-propelled particles
受图灵斑图形成机制的启发,我们提出了一个简单的自推进粒子模型,该模型具有短程排列和较大距离的反排列。它能够产生取向有序的状态,周期性的涡旋图案以及中尺度湍流。后一阶段类似于在致密细菌悬浮液中的观察。该模型允许系统的推导和分析的动力学理论以及流体动力学方程的密度和动量场。从这些连续体方程的线性稳定性分析中获得了具有这种斑图形成以及空间均匀取向有序和无序的区域的相图。自推进粒子系统的微观朗之万模拟与这些发现一致。
2014-05-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Time-dependent inertia of self-propelled particles: the Langevin rocket
许多自行推进的物体大到足以显示出惯性效应,但仍然受到环境波动的影响。相应的基本运动方程由主动Langevin动力学控制,该动力学涉及惯性、摩擦和随机噪声,用于通过沿颗粒取向的自推进耦合的平移和取向自由度。本文将主动Langevin模型推广到含时参数,并详细讨论了非手性和手征粒子的含时惯性效应。对这种情况的认识是多方面的,从燃烧自身质量而自行推进的微型火箭,等离子体中的尘埃颗粒通过蒸发物质而失去质量,到活动即将结束的步行者。在这里,我们提出了几个动态关联函数,如均方位移和取向和速度的自相关函数的解析解。如果参数在时间上表现出慢幂律,则我们得到具有非平凡动力学指数的反常超扩散。最后,我们在传统的齐奥尔科夫斯基火箭方程中加入取向涨落,建立了“朗之万火箭”模型。我们计算的朗之万火箭的平均到达,并讨论不同的质量喷射策略,以最大限度地提高它。我们的结果可以在实验中测试宏观机器人或生活粒子或自推进介观物体在低粘度的介质,如复杂的等离子体。
2021-03-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Transport coefficients of self-propelled particles. II. Numerics for vorticity fluctuations and the reverse perturbation method
在这两部分系列的第一部分中,剪切简单液体的反向扰动方法[Phys. Rev. E 59,4894(1999)]被扩展到具有时间离散随机动力学的相互作用粒子系统。为了验证,在本文(第二部分)中,反向微扰法首先应用于一个简单的动量守恒液体,通过多粒子碰撞动力学(MPCD)技术[J. Chem. Phys. 110,8605(1999)]建模。对于MPCD,测得的剪切粘度和理论预测之间的良好协议被发现。此外,本文包含应用程序的反向扰动方法的Vicsek模型的代理基于模拟[物理。75,1226(1995)]及其无度量标准版本。提取的传输系数,运动粘度$ν$和动量放大系数$λ$,进行了比较,理论预测。为了验证输运系数,格林-久保关系进行了评估,并在独立的模拟测量横向电流的相关性。不太远的过渡到集体运动,我们发现很好的协议之间的不同测量的传输系数。然而,$ν$和$1-λ$的测量值总是略高于平均场的预测,即使在大的平均自由程和状态点相当远的阈值集体运动,也就是说,在无序相。这些研究结果似乎表明,平均场假设的分子混沌是不太可靠的系统与速度对齐规则,如Vicsek模型,模型服从细致平衡,如MPCD相比。
2019-09-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Chapman-Enskog expansion for the Vicsek model of self-propelled particles
使用标准的Vicsek模型,我展示了如何宏观输运方程可以系统地从微观碰撞规则。该方法从N粒子概率分布的精确演化方程开始,在分子混沌的平均场假设之后,得到多粒子Enskog型方程。该方程通过非标准的Chapman-Enskog展开来处理,以提取宏观行为。该扩展包括在形式扩展参数$ε$中最多三阶的项,并且涉及快速时间尺度。一个自洽关闭的时刻方程,导致连续性方程的粒子密度和Navier-Stokes方程的动量密度。这些宏观方程中的所有输运系数的表达式明确给出的微观参数的模型。的运输系数取决于特定的角积分的评估渐近无限多的碰撞伙伴的限制,使用一个类比的随机行走。Chapman-Enskog方法的一致性通过使用Green-Kubo关系的剪切粘度的独立计算来检查。
2016-08-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Transport coefficients of self-propelled particles: Reverse perturbations and transverse current correlations
将用于剪切简单液体并测量其粘度的反向微扰方法[Phys.Rev.E59,4894(1999)]扩展到活性颗粒的Vicsek模型(VM)[Phys.Rev.Lett. 75,1226(1995)]及其无度量标准版本。剪切系统表现出一种类似于交变电流的趋肤效应的现象:被馈送到层的边界中的动量主要以指数方式朝向层的中心衰减。它示出了如何两个传输系数,即剪切粘度$ν$和动量放大系数$λ$,可以通过拟合这种衰减与VM的流体动力学方程的解析解。VM的粘度由两部分组成,动力学和碰撞贡献。虽然分析预测已经存在前者,一个新的表达碰撞的一部分是由Enskog的动力学理论。为了验证预测的输运系数,格林-久保关系进行了评估和横向电流的相关性进行了测量,在独立的模拟。不太远的过渡到集体运动,我们发现很好的协议之间的不同测量的传输系数。然而,$ν$和$1-λ$的测量值总是略高于平均场的预测,即使在大的平均自由程和状态点相当远的阈值集体运动,也就是说,在无序相。这些发现似乎表明,分子混沌的平均场假设是不太可靠的系统与速度对齐规则,如VM,相比,模型服从细致平衡,如多粒子碰撞动力学。
2019-09-19 cond-mat.soft
Dynamics of self-propelled Janus particles in viscoelastic fluids
实验研究了球形Janus胶体粒子在粘弹性流体中的主动运动。自推进是通过激光照射施加的临界聚合物混合物的局部浓度梯度来实现的。即使在该制度中,流体的粘度是独立的颗粒引起的变形率,我们发现一个显着的增加高达两个数量级的旋转扩散随着颗粒速度的增加,这可以描述由一个有效的旋转扩散系数依赖于Weissenberg数的现象。我们表明,这种效应引起的粘弹性介质中的微泳者的外力取决于其方向的高度各向异性的响应。
2016-03-16 cond-mat.soft
Kinetic theory and shear viscosity of dense dipolar hard sphere liquids
稠密流体的输运性质从根本上是具有挑战性的,因为平衡统计物理的强大方法无法应用。极性流体使这个问题复杂化,因为长程相互作用排除了仅基于硬球的简单效应直径方法的使用。在这里,我们开发了偶极硬球流体,是有效的高密度的动力学理论。我们直接从状态方程推导出接触处径向分布函数的数学近似,并利用它来获得剪切粘度。我们还进行了分子动力学模拟,这个系统和提取的剪切粘度数值。理论计算结果与模拟结果相吻合。
2020-06-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Collision between chemically-driven self-propelled drops
本文用解析和数值方法研究了两个自推进液滴的迎面碰撞问题。每一滴都是由化学反应驱动的,化学反应产生或消耗浓度各向同性。浓度场的各向同性分布被液滴的运动破坏,液滴的运动本身是由浓度依赖的表面张力的Marangoni流产生的。这种打破束缚的自推进与其他自推进机制不同,这是由于内在的极性,如蠕动和自泳运动;有一个分叉点,在该点以下液滴是静止的,在该点以上它自发地移动。当两个液滴沿同一轴线运动时,液滴之间的相互作用既有流体力学的作用,也有浓度重叠的作用。我们发现,两滴表现出弹性碰撞或融合取决于从分歧点的距离控制,例如,由粘度。弹性碰撞是由化学反应的耗散和能量注入之间的平衡引起的。我们推导了两滴之间碰撞的简化方程,并分析了两种相互作用的贡献。浓度介导的相互作用被发现占主导地位的流体动力学相互作用。
2016-10-06 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Active Jamming: Self-propelled soft particles at high density
我们数值研究的阶段和动态的密集收集的自推进粒子软排斥相互作用在两个维度。该模型的动机是最近在迁移的上皮细胞和内皮细胞的汇合单层的体外实验。在低填充率和高自推进速度下,液相呈现出巨大的数值波动;在高填充率和低自推进速度下,液相呈现出堵塞相。堵塞相位的动态特性由堵塞填料的低频模式控制。
2011-07-20 cond-mat.soft q-bio.CB
Pushing the glass transition towards random close packing using self-propelled hard spheres
尽管半个多世纪前就提出了硬球的随机紧密堆积的概念,几乎普遍的堆积分数为~ 0.64,但仍然存在持续的争论。寻找密堆积的主要困难在于,在~ 0.58处具有超过玻璃化转变的堆积分数的状态本质上是非平衡系统,其中动力学随着结构弛豫时间随密度而发散而减慢;因此,无规密堆积是不可接近的。在这里,我们进行模拟的自我推进的硬球,我们发现,随着活动的增加,松弛动力学可以加快数量级。玻璃化转变转移到更高的包装分数后,增加的活动,使研究的球形包装与流体样的动力学在包装分数接近随机紧密包装。我们的研究开辟了新的可能性,调查致密包装和硬颗粒系统中的玻璃化转变。
2013-10-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.comp-ph
Shear viscosity for a moderately dense granular binary mixture
本文测定了均匀剪切流中光滑硬球的中等密度粒状二元混合物的剪切粘度。分析的基础是Enskog动力学方程,首先通过Chapman-Enskog方法解析求解,直到非强迫系统以及高斯恒温器驱动的系统的剪切速率的一阶。在弹性的情况下,实际的评估需要一个Sonine多项式近似。在领导秩序,我们确定的剪切粘度的控制参数的问题:固体分数,组成,质量比,尺寸比和恢复系数。动力学和碰撞转移的剪切粘度的贡献被认为是。为了探讨的准确性的Chapman-Enskog的结果,Enskog方程,然后数值求解系统驱动的高斯恒温器通过扩展到稠密气体的著名的直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法的稀释气体。理论和模拟之间的比较表明,在一般的参数空间的一个很大的区域上的一个很好的协议。
2003-06-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Spatial velocity correlations in inertial systems of Active Brownian Particles
最近,人们已经发现,系统的活动布朗粒子(APB)在高密度组织他们的速度到相干域显示大的空间结构中的速度场。这种集体行为自发地发生,即不是由任何有利于速度对齐的特定粒子间力引起的。这种现象进行了研究,在没有热噪声和过阻尼制度,惯性力可以忽略不计。在这项工作中,我们证明,通过数值模拟和理论分析,速度对齐是一个强大的属性ABP和持久的存在,即使在惯性力和热波动。我们还表明,一个单一的无量纲参数,如Péclet数通常用于描述自推进粒子,是不足以充分表征这种现象,无论是在大粘度或小质量的制度。事实上,速度域的大小,通过测量的空间速度相关的相关长度,保持恒定时,游泳速度增加,而减少的旋转扩散变得更大。我们发现,空间速度的相关性取决于惯性,但与通常的看法相反,是不对称的质量和逆粘度变化的影响。我们的结论是,在自推进系统中,在与被动系统的差异,惯性时间(质量溶剂粘度)和质量的变化作为独立的控制参数。最后,我们强调的非热性质的空间速度的相关性是相当不敏感的溶剂和活性温度。
2020-12-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Active Inhomogeneous Mode-Coupling Theory (aIMCT) for Dense Systems of Self-Propelled Particles
本文提出主动非均匀模耦合理论(aIMCT),揭示活性玻璃中动态非均匀性的非平凡行为源于一种新的非平衡效应,并解释了其与弛豫动力学不同的标度行为。
2024-10-21 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Kinetic Theory for the Shear Viscosity of Dense Binary Dipolar Fluid Mixtures
Department of Mechanical and Industrial Engineering, Norwegian University of Science and Technology(挪威科技大学机械与工业工程系);Instituto de Alta Investigación, Universidad de Tarapacá(塔拉帕卡大学高等研究所)
研究致密二元偶极流体混合物剪切粘度,基于恩斯科格 - 索恩理论等构建动力学理论,推导对关联表达式,通过与分子动力学模拟结果比较,其表达式在一定堆积分数下捕捉到二元偶极流体相关行为且无需混合物拟合参数。
2026-07-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Curvature-Controlled Geometrical Lensing Behavior in Self-Propelled Colloidal Particle Systems
在许多生物系统中,细胞赖以生存的表面的曲率会影响它们的集体性质。曲率同样会影响活性胶体颗粒的行为。我们使用分子模拟的自推进活性粒子表面的高斯曲率(正和负),曲率的符号和幅度可以改变系统的集体行为。曲率作为一个几何透镜和移动的临界密度的motility-induced相分离(MIPS),以较低的值为正曲率和较高的值为负曲率,这是我们在理论上解释的球面和双曲空间中的平行线的性质。曲率也流化致密MIPS集群由于出现的缺陷模式破坏集群内部的晶体秩序。利用我们的研究结果,我们设计了三个限制表面,战略性地结合不同曲率的区域,以产生一系列新颖的动态相位,包括循环MIPS的spherocylinders,波状MIPS的spherocones,和集群波动的metaballs。
2022-02-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Phase separation of self-propelled ballistic particles
自推进颗粒在临界密度以上相分离成共存的稠密区和稀区。它们的随机运动的统计性质使其本身成为预测相分离开始的各种理论。然而,当噪声变得可以忽略不计时,这些理论都不足以描述这种行为。为了克服这一限制,我们提出了一个预测模型,依赖于两个密度依赖的时间尺度:$τ_F$,粒子之间的碰撞花费的平均时间;和$τ_C$,碰撞的平均寿命。我们表明,只有当$τ_F < τ_C$做碰撞持续足够长的时间来发展一个不断增长的集群,并启动相分离。使用分析计算和活性粒子模拟,我们测量这些时间尺度,并确定在二维和三维相分离的临界密度。
2018-04-23 cond-mat.soft
Non-Equilibrium Fluidization of Dense Active Suspension
本研究针对游动细菌稠密悬浮液,发现非热涨落的个体与集体行为一致、活性悬浮液黏度下降且玻璃态特征消失,复剪切模量呈幂律流变,揭示细菌活性驱动系统向临界堵塞态演化的非平衡流化机制。
2024-02-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Wrapping dynamics and full uptake conditions for nonspherical active nanoparticles
细胞膜对自推进纳米颗粒或病毒的摄取在许多生物过程中至关重要。利用Onsager变分原理,得到了非球形自推进纳米粒子的包裹方程。从理论上推导出两个解析临界条件,一个是扁长粒子的连续全吸收,另一个是扁长粒子的快速全包裹。他们捕捉相当不错的充分吸收的临界边界在相图中构建的主动力,纵横比,粘附能量密度,和膜张力的基础上的数值计算。研究发现,提高活性(主动力)、降低有效动力粘度、增加粘附能量密度、降低膜张力,可以显著提高自推进颗粒的包裹效率。这些结果阐明了一些以前的具体调查结论,并可能提供新的可能性,设计一个有效的主动NP为基础的车辆控制药物输送。
2023-01-13 cond-mat.soft
Entropons as collective excitations in active solids
本研究针对活性晶体非平衡稳态的振动动力学问题,提出由活性产生、与声子共存且强自驱动下占优的熵振子概念,可通过胶体、颗粒活性物质及生命系统实验验证。
2022-07-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Dense granular flows: interpolating between grain inertia and fluid viscosity based constitutive laws
最近获得的标量本构关系的致密颗粒流从两个晶粒的论点,无论是在惯性制度(晶粒惯性)和粘性制度。由于所得到的法律是不完全相同的,在这两个政权之间的交叉,我们在这里提供了一个表达式。
2008-09-16 cond-mat.soft physics.class-ph
Tuning the Viscosity and Jamming Point in Dense Active non-Brownian Suspensions
本文通过 run-and-tumble 粒子模拟研究稠密活性非布朗悬浮液,揭示活性如何降低黏度、移动阻塞点并改变力链结构,进而提出新本构定律。
2025-06-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Shear viscosity and wall slip behavior of dense suspensions of polydisperse particles
研究了有机硅聚合物与多分散粒子组成的密相悬浮液的剪切粘度和壁面滑移。使用三种类型的具有低纵横比的颗粒来实现0.86的相对高的最大填充分数。如此高的最大填充分数允许制备具有在0.62至0.82范围内的宽范围的固体体积分数的悬浮液。在稳定的扭转和毛细流动的悬浮液的壁滑移速度的特征在于,并确定是完全一致的表观滑移层形成在壁的机制。在壁面滑移修正后,发现在显著高于屈服应力的剪切应力下,悬浮液的相对剪切粘度很好地服从Krieger-Doughnard关系,该关系将致密悬浮液的相对剪切粘度行为仅与固体的体积分数与最大填充分数的比率联系起来。然而,在屈服应力附近的较低剪切应力下,相对剪切粘度成为体积分数与最大填充分数之比和剪切应力的函数。它清楚地表明,没有壁滑移分析的相对剪切粘度的稠密悬浮液的准确表征是不可能的。
2018-06-05 cond-mat.soft
Shear viscosity scaling of granular suspensions across dilute to dense regimes
本文通过 DEM-LBM 恒体积剪切模拟,提出以过渡固体分数 $ϕ_d$ 统一描述非 Brownian 颗粒悬浮液在稀疏至稠密区的黏度标度。
2023-07-17 cond-mat.soft
Light Activated Self-Propelled Colloids
合成了光活化的自推进胶体,并利用光学显微镜研究了它们的主动运动。我们提出了一个通用的路线,使用不同的光敏材料,并展示了多波长的激活和推进。由于两种半导体材料(αFe2 O3和TiO2)的光电化学性质,能量高于带隙的光会引发过氧化氢的分解反应,并在颗粒周围产生化学云。它诱导与相邻胶体的泳动吸引以及基底上颗粒的渗透自推进。我们使用这些机制来形成胶体货物以及自推进粒子,其中光激活组件嵌入到介电球体中。粒子沿着由热波动随机化的方向自推进,并表现出持续的随机行走。对于足够的表面密度,颗粒自发地形成“活晶体”,其是移动的,分裂和重组。利用外加磁场控制粒子的方向,我们发现致密相的形成是粒子迎面碰撞的结果。这种效应本质上是非平衡的,并且是没有细致平衡的系统的一种新的组织原理。通过不同波长自推进的粒子工程家族展示了对系统背后的物理和化学的良好理解,并指出了设计新的自推进粒子家族的一般路线。
2014-10-27 cond-mat.soft
The nonequilibrium glassy dynamics of self-propelled particles
我们研究玻璃态动力学发生在致密的组件的非热活性粒子,仅由非平衡自推进机制驱动。主动力被建模为一个Ornstein-Uhlenbeck随机过程,其特征在于持续时间和有效温度,和粒子通过一个Lennard-Jones潜在的,产生良好的研究在布朗极限的玻璃态行为的相互作用,获得的持续时间消失。通过增加的持续时间,系统更强烈地偏离热平衡,我们提供了一个全面的数值分析所产生的活性流体的结构和动力学。有限的持续时间深刻地影响流体的静态结构,并引起非平衡的速度相关性,在热系统中是不存在的。尽管这些非平衡功能,对于任何值的持续时间,我们观察到的非平衡玻璃化转变的有效温度降低。令人惊讶的是,增加偏离热平衡被发现促进(而不是抑制)的玻璃态动力学。总的来说,我们的研究结果表明,随着持续时间的增加,微观性质的活性流体的变化定量,但广泛的功能的非平衡态玻璃动力学观察到的有效温度降低定性相似的热玻璃形成。
2016-06-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Emergent states in dense systems of active rods: from swarming to turbulence
自推进的棒状颗粒的稠密悬浮液表现出各种迷人的非平衡现象。通过计算机模拟的极小模型的刚性自推进的可变形状的胶体棒,我们探讨了在大范围的棒密度和纵横比的新兴国家的一般图。动力学研究使用一个简单的数值方案的过阻尼无噪声摩擦动力学的多体系统中,空间位阻力占主导地位的流体动力学。不同的涌现状态由不同的特征关联函数和合适的序参量场来识别。在低密度和低纵横比下,没有相干运动的无序相在大纵横比下先于高度合作的群集状态。相反,在高密度弱不等轴颗粒表现出明显的干扰过渡,而细长的颗粒形成动态laning模式。在两者之间有一个大的窗口,对应于强涡流、湍流。不同的动力学状态应该在游动细菌和人工杆状微游泳者系统中得到验证。
2012-04-02 cond-mat.soft
Rheology of active suspensions with hydrodynamic interactions
利用一个简单的自推进粒子模型,研究了空间均匀的活性粒子稀悬浮液的有效剪切粘度。我们使用非线性Fokker-Planck方程来驱动动力学描述,包括外部流场的影响,旋转扩散,和颗粒-颗粒在二维的流体动力学相互作用。在小的Peclet数,在一个简单的剪切流,到二阶的游泳者的体积分数,这表明明确的剪切粘度的游泳机制的细节依赖的应力张量的解析表达式。
2017-02-14 cond-mat.soft
Emerging mesoscale flows and chaotic advection in dense active matter
本文通过研究二维过阻尼自推进圆盘模型,发现稠密活性流体中由拥挤效应与持续推进竞争所驱动的介尺度混沌平流,揭示了一种区别于其他活性系统集体流动的新型活性湍流。
2023-06-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Self-propelled particles with selective attraction-repulsion interaction - From microscopic dynamics to coarse-grained theories
在这项工作中,我们推导和分析粗粒度的描述与选择性的吸引-排斥相互作用的自推进粒子,其中个人可能会根据他们的相对运动状态(方法与运动远离)不同的反应,他们的邻居。基于一个非线性Fokker-Planck方程的制定,我们推导出一个动力学描述的系统动力学方程的傅立叶模式的单粒子密度函数。这种方法允许有效的数值研究系统的可能的解决方案的稳定性。进入方程的相互作用积分的详细分析表明,在小波长处的发散可以出现在任意的展开阶。在此基础上,我们还通过在单粒子密度函数的第二傅立叶模式的水平上进行封闭,导出了流体动力学理论。我们表明,一般形式的方程是一致的理论制定的Toner和涂。最后,我们比较我们的分析预测的稳定性的无序均匀的解决方案与基于个人的模拟结果。他们表现出良好的协议足够大的密度和不可忽略的短程排斥。数值结果和流体力学理论弱短程排斥的分歧揭示了存在一个以前未知的阶段的模型组成的致密,向列对齐的长丝,这不能占目前的调色剂和涂型理论的极性活性物质。
2013-04-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Flow curves of dense colloidal dispersions: schematic model analysis of the shear-dependent viscosity near the colloidal glass transition
最近提出的一个示意性模型的非线性流变学的致密胶体分散体相比,在悬浮液中,由热敏颗粒测量的流动曲线。这个纯排斥模型系统的体积分数可以通过改变温度来调节。因此,可以以可再现的方式实现高体积分数($ϕ\leq 0.63$)。流动曲线的定量分析表明,理论方法捕获的低剪切粘度的增加与密度的增加,剪切稀化的增加剪切速率,和软玻璃态固体的产量。高剪切粘度的变化可以追溯到流体动力学相互作用,其不包含在本方法中,但可以通过适当的重新缩放并入数据分析中。
2005-02-18 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Configurational Entropy of Self Propelled Glass Formers
本文计算自推进模型玻璃形成体的构型熵,发现非谐贡献不可忽略,并验证其符合广义 Adam-Gibbs 关系,进而得到构型熵与点到集长度尺度的标度关系。
2022-12-11 cond-mat.soft
Controlled viscosity in dense granular materials
通过监测悬浮在介质中的叶片的角速度,并由外部电机驱动,实验研究了受机械振动的颗粒状物料的流化。在增加频率时,我们观察到一个再入过渡,因为堵塞的系统首先进入流化状态,其中叶片以高的恒定速度旋转,然后返回到摩擦状态,其中叶片速度低得多。虽然流化频率与材料无关,但粘度恢复频率显示出对材料的明显依赖性,我们通过将该频率与系统中耗散力和惯性力之间的平衡相关联来合理化。分子动力学模拟很好地再现了实验数据,证实了建议的理论图片。
2018-03-09 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Collective behavior of self-propelled rods with quorum sensing
活性剂-如运动性测定中的泳动颗粒、细菌、精子和细胞骨架丝-显示出多种多样的运动性诱导的集体行为,如聚集、聚集和相分离。在生物膜形成过程中,泳动颗粒和细菌的致密悬浮液的行为由两种主要的物理机制决定:(i)体积排阻(短程空间排斥)和(ii)群体感应(由于局部化学环境的改变而导致的较长距离的减少的推进)。为了系统地表征这样的系统,我们研究半穿透自推进杆在两个维度上,与推进力,随着当地杆密度的增加,采用布朗动力学模拟。体积排斥和群体感应都导致相分离,然而,结构和杆动力学有很大的不同。群体感应增强了团簇的极性,诱导了团簇边缘的杆状细胞的非对称性,并增强了团簇形成。对于系统,其中杆在高密度下基本上变得被动,观察到星状和条纹的形成。与具有较小纵横比的杆相比,具有较大纵横比的杆系统显示出更有序的结构,这是由于它们具有更强的对齐,具有几乎圆形的星状结构,以获得强烈的密度依赖性推进力。随着群体感应相互作用范围的增大,局域密度减小,星状结构变得不稳定,并出现极性刺猬簇和具有结构域的簇。我们的研究结果表征结构的形成和动力学由于两个质量不同的相互作用机制,空间位阻和群体感应,这两个相关的工程泳微泳以及生物膜形成的细菌的竞争。
2018-07-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Optimum dissipation by cruising in dense suspensions
稠密的悬浮液在大的填充分数下倾向于剪切堵塞。然而,最近已经表明,各种振荡协议可以解除堵塞以及降低粘度和耗散。在这个数值工作中,我们问自己什么是最佳的剪切协议的耗散。我们发现,许多巡航协议的耗散类似于剪切协议与稳定的主剪切和叠加的交叉振荡,即使后者的粘度降低更可观。此外,我们发现,主振荡和垂直振荡之间的交替产生比上述两个协议高得多的耗散,但具有类似的粘度作为交叉振荡之一。虽然自组织已被证明可以最大限度地减少粘度,但我们的研究结果挑战了随机组织是减少耗散的潜在机制的想法。相反,剪切“脆弱性”与几何形状相结合似乎是关键因素,这解释了巡航协议的粘度和耗散的最小值的反直觉解耦。这项工作为一类新的高能效流协议铺平了道路。
2023-02-17 cond-mat.soft
Motility-Induced Phase Separation
自推进颗粒包括自泳合成胶体和各种微生物。通过不断消耗能量,它们绕过了平衡热力学定律。这些定律在热平衡中强化了玻尔兹曼分布:于是稳态与动力学参数无关。相比之下,自行推进的粒子倾向于在它们移动得更慢的地方积聚。由于生物化学或空间的原因,它们也可能在高密度下减慢。这产生了正反馈,其可以导致稠密流体相和稀流体相之间的运动诱导相分离(MIPS)。在梯度中的领先顺序,映射将可变速度、自推进的粒子与具有吸引力的被动粒子相关联。这种与平衡相分离的深层联系通过模拟得到了证实,但通常在梯度中的高阶上被打破:新的效应,没有平衡对应物,然后出现。我们给一个快速发展的MIPS领域的选择性概述,侧重于理论和模拟,但包括一个简短的投机性调查其实验意义。
2014-06-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.CB
Clustering of Self-Propelled Triangles with Surface Roughness
自推进颗粒可以在称为运动诱导相分离的过程中从稀悬浮液自发地形成致密相。所形成的非平衡结构的性质由粒子相互作用的细节和活动的强度决定。到目前为止,对这些结构形成的大多数研究都集中在具有各种相互作用势的球形胶体、哑铃和棒状颗粒上。只有少数研究已经检查了更复杂的颗粒形状的集体行为。在这里,我们增加了几何复杂性,并使用分子动力学模拟来考虑由表面粗糙的三角形自推进粒子形成的结构。这些三角形要么向其顶点移动,要么向其底部移动,即,它们具有极性。我们发现,顶点定向三角形集群更容易,更稳定,并有一个更平滑的集群接口比他们的基地定向同行。两种极性之间的差异与[H. H. Wensink等人,E89,010302(R)(2014)],然而,当涉及到聚类时,我们获得了相反的结果,即顶点定向的颗粒更容易聚类。我们进一步表明,减少表面粗糙度的基础导向结构的稳定性产生负面影响,这表明它们的形成在很大程度上是由于表面粗糙度。我们的研究结果奠定了坚实的基础,为未来的实验和计算研究粗糙度对游泳运动员的集体动力学的影响。
2016-09-07 cond-mat.soft
Nonmonotonic behavior in the dense assemblies of active colloids
我们实验研究的自推进布朗粒子的密度范围从稀到遍历过冷,非遍历玻璃,非遍历多晶的沉积。在一个compagnon信中,我们观察到一个非单调的响应活动的非遍历玻璃态的松弛:一个戏剧性的放缓时,粒子变得弱自推进,其次是加速在较高的活动。在这里,我们映射到标准的被动玻璃物理的遍历过冷状态,提供了一个单调移位的玻璃包装分数和环境温度的有效温度的替代。然而,我们表明,这种映射失败超越玻璃化转变。这种失效是造成非单调响应的原因。此外,我们通过研究另一类非遍历系统的动力学响应来推广我们的发现:多晶体。我们观察到同样的非单调反应的活动。为了解释这一现象,我们测量了粒子沿同一方向运动时畴的大小。该尺寸也显示出非单调响应,小的长度对应于缓慢的弛豫。这表明,非遍历的主动状态到被动的情况下的映射的失败是普遍的,并与特定于活性物质的各向异性弛豫机制。
2019-10-08 cond-mat.soft
How active forces influence nonequilibrium glass transitions
自推进粒子的致密集合体经历非平衡态的玻璃态动力学。物理学的直觉告诉我们,由于作用力的作用,偏离平衡的程度越大,玻璃态系统就越流体化。我们通过设计一个自推进粒子的模型来证明这一点,在这个模型中,偏离平衡的增加可以增强或抑制玻璃态动力学,这取决于所选择的状态点。我们分析了一些静态和动态的可观的,并建议的非平衡玻璃化转变的位置主要是由两点静态密度相关性由于主动力的演变控制。密度相关性对作用力的依赖性随系统的细节而变化,并且很难从理论上预测。我们的研究结果强调,需要发展一个准确的非平衡系统的液态理论。
2017-08-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Crystallization of self-propelled hard-discs : a new scenario
我们的实验研究的结晶单层的振动盘与内置的极性不对称性,一个模型系统的活性液体,并将其与振动各向同性盘。增加填充分数$ϕ$,各向同性盘报道的准连续结晶被过渡或朝向“自熔”晶体的交叉所取代。增加来自液相的填充分数,致密的六方有序填充盘的簇自发地形成、熔化、分裂和合并,导致高度间歇性和非均质动力学。所得到的稳定状态簇大小分布单调减小。当填充分数大于$ϕ^*$时,几个大的团簇跨越系统尺寸,团簇尺寸分布变得非单调,过渡由幂律签署。然而,该系统从未被动态地捕获。团簇从一个地方永久地熔化到另一个地方,形成活性液体的液滴,其快速地传播穿过系统。这种状态保持到最高可能的堆积分数,质疑晶体对于活性盘的稳定性,除非是有序的紧密堆积。
2016-05-10 cond-mat.soft
Molecular chaos in dense active systems
分子混沌的假设在动力学理论中起着核心作用,它提供了一个封闭,导致玻尔兹曼方程定量描述经典流体。然而,如何将它适当地推广到主动系统,在非平衡物理学中仍然是一个悬而未决的问题。结合实验,模拟和理论,我们调查的紧急集体行为的自我推进的粒子,表现出避碰,一种移动策略,通常采用在自然和工程主动系统。这个致密的活性系统显示出由多体相互作用强烈调控的不寻常的相动力学,这不能用假设分子混沌的理论来解释。为了合理化不同的紧急阶段之间的相互作用,提出了一个简单的动力学模型与修改后的分子混沌假说,处理多体效应隐含通过分类不同类型的粒子对碰撞。我们的模型预测的最佳增长率的群集,并说明了一个通用的方法来理解密集的活性系统。
2023-02-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Disordered collective motion in dense assemblies of persistent particles
我们探讨了无序的非热活性物质的非平衡集体运动的出现时,持续运动和拥挤效应的竞争,使用模拟的二维模型的大小多分散的自推进粒子。与单分散系统形成鲜明对比,我们发现多分散性可以在任意大的持续时间内稳定均匀的活性液体,其特征是显着的速度相关性和不规则的湍流。对于所有的持久性值,活性流体在大密度下经历非平衡玻璃化转变。这是伴随着集体运动,其性质从近平衡的空间异质动态小持久性,持久性大时,一个质的不同的间歇性动态演变。后一种状态涉及相关位移场的复杂时间演化
2022-06-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Solute Induced Jittery Motion of Self-Propelled Droplets
研究了溶质在自推进液滴中的作用。研究了4-戊基-4-联苯腈(5CB)在十四烷基三甲基溴化铵(TTAB)水溶液中的自推进微滴体系。结果表明,甘油的加入导致活性5CB液滴表现出从平滑到抖动运动的过渡。该运动被发现是独立的液滴的大小和的5CB的微扰状态。用聚丙烯酰胺(PAAm)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚乙烯醇(PVA)作为溶质的类似实验证实,这种转变不能仅仅基于系统的粘度或Peclet数来解释。我们建议,溶质和液滴界面之间的物理化学相互作用的具体性质是在这个过渡的根源。实验表明,溶质的存在改变了界面处表面活性剂的流入和再分布的时间尺度。甘油和PVP显著提高了5CB液滴的溶解速率,导致吸附的TTAB分子在界面上更快地重新分布,导致液滴暂时停止,然后在独立的方向上重新开始。另一方面,在PAAm和PVA存在下的低增溶速率导致平滑的轨迹。我们的假设是支持液滴尺寸和界面速度测量的存在和不存在溶质的时间演变。总的来说,我们的研究结果提供了基本的见解复杂的相互作用出现由于溶质的存在。
2020-11-20 cond-mat.soft
Transport coefficients for dense hard-disk systems
本文利用Helfand-Einstein公式研究了弹性硬盘系统的输运系数。的自扩散,粘度,和导热性的平均技术,特别适合于使用在事件驱动的分子动力学算法与周期性的边界条件检查。密度和尺寸的依赖性的结果进行了分析,并与Enskog的理论预测进行了比较。特别是,在附近的流体-固体过渡的传输系数的行为进行了研究,并在该区域的粘度的显着的幂律发散,而所有其他检查的传输系数显示在该密度范围内下降。
2006-01-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Transport of a self-propelled tracer through a hairy cylindrical channel: interplay of stickiness and activity
由马达蛋白辅助的生物分子的主动运输对于细胞活动的正常运作是必要的。受拥挤的细胞通道中的活性剂的扩散的启发,我们计算研究通过聚合物接枝的圆柱形通道的活性示踪剂的运输通过改变示踪剂的活性和示踪剂的粘性的聚合物。我们的研究结果表明,被动示踪剂表现出深刻的亚扩散,增加粘性,通过探索深入到接枝聚合物区,而纯粹的排斥一个更喜欢通过沿圆柱轴的通道创建的孔状空间扩散。相反,活性示踪剂显示更快的动力学和中间超扩散,即使示踪剂优先保持接近致密的聚合物区域。示踪剂径向位移概率密度分布中的尖峰进一步支持了这一观察结果。我们发现,活性在决定示踪剂通过狭窄通道的途径中起着重要的作用。有趣的是,增加活性会抵消粘性的影响。此外,van-Hove函数表明,活性示踪剂动力学偏离高斯性,偏离程度随着活性的增加而增加。我们的工作直接影响到如何有效的运输和交付货物可以通过一个有限的介质中的活动,相互作用和拥挤的相互作用。展望未来,这些因素对于理解人工自供电机器通过细胞通道导航和执行体内挑战性任务的机制至关重要。
2022-01-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Bouncing of a projectile impacting a dense potato-starch suspension layer
当一个固体射弹落在一个稠密的非布朗粒子悬浮液上时,射弹上的极大阻力会导致其急剧减速,然后反弹。在这项研究中,我们进行了一组简单的实验下降固体弹丸的影响到一个密集的马铃薯淀粉悬浮液。从抛体运动的运动学数据中,测量了回弹的恢复系数和时间尺度。通过假设线性粘弹性,可以估计有效的瞬态弹性和粘度。我们还估计斯托克斯粘度在一个较长的时间尺度上通过测量缓慢下沉的时间的弹丸。弹性模量和粘度的估计是一致的,分别测量以前的结果。此外,机械振动对粘弹性的影响进行了检查。结果发现,机械振动对受冲击的稠密悬浮液的黏弹性没有显着影响。
2019-04-26 cond-mat.soft
Cooperative Motion of Active Brownian Spheres in Three-Dimensional Dense Suspensions
在三维空间中研究了自推进球形布朗粒子悬浮液的结构和动力学性质。我们的模拟揭示了相分离成稀相和密相,高于一定的密度和自推进强度。密相的填充分数在高活性下接近随机紧密填充,但系统保持流体。虽然没有对齐机制存在于这个模型中,我们发现长寿命的合作运动的粒子在密集的制度。此行为可能是由于接口引起的排序过程。空间位移关联函数的密度接近或高于被动系统的玻璃化转变密度的系统几乎是无标度的。
2015-05-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Effective viscosity and elasticity in dense suspensions under impact: Toward a modeling of walking on suspensions
本研究通过LBM-DEM及简化模型提取浓悬浮液冲击弹性力,建立足-弹簧-身体模型,揭示弹簧刚度增大抑制多次弹跳,为悬浮液上行走建模提供基础。
2023-06-20 cond-mat.soft
Driving dynamic colloidal assembly using eccentric self-propelled colloids
由于胶体粒子在动态响应功能材料的制备中具有广阔的应用前景,设计动态引导胶体粒子自组装的方法已成为软物质物理研究的一个重要方向。本文通过计算机模拟发现,在被动胶体和偏心自推进活性粒子的混合体系中,当活性粒子的偏心率和自推进力足够大时,偏心活性粒子可以推动被动胶体形成大的密集动态团簇,体系发生了一种新的动态分层转变。我们的模拟结果表明,动态分层发生时,偏心的主动粒子的运动速度比被动粒子,使不同的主动粒子的动态轨迹可以相互重叠,而被动粒子从主动粒子的动态轨迹耗尽。我们的研究结果表明,这类似于熵驱动的胶体-聚合物混合物中的分层,其中聚合物无规线圈可以彼此重叠,同时耗尽胶体。更有趣的是,我们发现,通过固定的被动胶体组成在一定的值,随着密度的增加,该系统经历了有趣的重入混合,和分层只发生在一定的中间密度范围。这为设计活性物质来驱动被动胶体的自组装和制备动态响应材料提供了一条新的途径。
2017-11-03 cond-mat.soft
Ordered domains in sheared dense suspensions: the link to viscosity and the disruptive effect of friction
布朗胶体球的单分散悬浮液在高密度下结晶,并且在低于结晶阈值的密度下观察到剪切下的有序性。我们进行大规模的模拟模型悬浮液中含有超过$10^5$颗粒,定量研究剪切下的有序性,并调查其链接到悬浮液的流变性能。我们发现,在高速率下,对于$Pe>1$,剪切流诱导有序转变,显着降低测得的粘度。这种排序的分层和平面顺序的发展方面进行了分析,我们确定,颗粒被包装成六方晶体层(有许多缺陷),滑过去对方。通过计算局域$ψ_6$和$ψ_4$序参量,我们确定了缺陷对应于正方形晶格中的粒子链。我们计算了单个粒子对应力张量的贡献,发现剪切应力的最大贡献者主要位于这些密度较低的缺陷区域。缺陷结构使得能够形成颗粒的压缩链以抵抗剪切,但是这些链是瞬时的和短暂的。包含接触摩擦力允许应力承载结构生长成系统跨越网络,从而扰乱秩序并急剧增加悬浮液粘度。
2022-02-08 cond-mat.soft
Localized Stress Fluctuations Drive Shear Thickening in Dense Suspensions
分散在牛顿流体中的固体颗粒的机械响应表现出广泛的非线性现象,包括粘度\cite{1-3}随着应力的增加而急剧增加。如果固相的体积分数是中等高的,悬浮液将经历连续剪切增稠(CST),其中悬浮液粘度随着施加的剪切应力平稳地增加;在更高的体积分数下,悬浮液可以显示不连续剪切增稠(DST),其中粘度在增加施加的应力时突然改变几个数量级。提出的模型来解释这种现象是基于两种不同类型的粒子相互作用,流体动力学\cite{2,4,5}和摩擦\cite{6-10}。在这两种情况下,体积粘度的增加归因于某种形式的局部聚集\cite{11,12}。然而,这些异质性的物理性质和动力学行为仍然不清楚。在这里,我们表明,连续的剪切增稠源于动态本地化定义良好的区域的颗粒具有高粘度,随着浓度迅速增加。此外,我们发现,这些区域的空间范围在很大程度上取决于剪切面之间的距离。我们的研究结果表明,连续剪切增稠产生越来越频繁的本地化的不连续过渡共存的低粘度和高粘度牛顿流体相之间。我们的研究结果提供了一个关键的物理联系之间的微观动力学过程,确定颗粒之间的相互作用和剪切增稠流体的体流变响应。
2017-02-08 cond-mat.soft
Dense active matter model of motion patterns in confluent cell monolayers
上皮细胞单层显示出显着的位移和速度的相关性超过10个或更多的细胞大小的距离,让人想起过冷液体和活性向列相。我们发现,许多观察到的功能可以在密集的活性物质的框架内进行描述,并认为,持久的不协调的细胞运动耦合到集体弹性模式的细胞片是足以产生漩涡状的相关性。我们得到这一结果,使用连续主动线弹性和正常模式的形式主义,并验证分析预测与数值模拟的两个代理为基础的细胞模型,软弹性颗粒和自推进Voronoi模型与体外实验的汇合角膜上皮细胞片。当组织水平的重组发生的时间长于细胞运动的持续时间时,模拟和正常模式分析完全匹配。我们的分析模型将十多年来测量的速度关联函数与单个拟合参数定量匹配。
2020-02-11 cond-mat.soft physics.bio-ph