Learning Effective Hydro-Phoretic Interactions in Active Matter
Institute for Condensed Matter Physics, Technische Universität Darmstadt（达姆施塔特工业大学凝聚态物理研究所）
研究活性物质大规模集体行为面临流体动力和电泳相互作用复杂性挑战。现结合高保真模拟、对称描述符和神经网络直接从粒子坐标预测流体动力相互作用，实现含完整流体动力两体相互作用的仅粒子模拟和理论。
2026-07-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydro-chemical interactions in dilute phoretic suspensions: from individual particle properties to collective organization
Janus泳动胶体（JPs）自推进作为自生的化学梯度的结果，并表现出自发的非平凡的动力学泳动悬浮液内，长度尺度远大于微观游泳者的大小。这种集体动力学产生于（i）粒子的自推进速度，（ii）粒子之间的吸引/排斥化学介导的相互作用和（iii）它们在周围介质中引入的流动扰动的竞争。这三种组分的含量直接取决于胶体表面的形状和物理化学性质。由于这种联系，我们适应最近流行的动力学模型的化学活性JP的稀释悬浮液中的颗粒的远场流体动力学和化学签名的内在联系，并明确确定的设计属性。使用线性稳定性分析，我们表明，自推进可以诱导波选择机制，某些粒子的配置与实验观察一致。对完整的动力学模型进行了数值模拟，分析了化学和流体动力学相互作用在非线性动力学中的相对重要性。我们的研究结果表明，在粒子密度的规则图案促进化学信号，但防止由极化粒子集体产生的强流体流动，无论其趋化或抗趋化性质（即拉和推游泳）。
2020-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Collective dynamics and rheology of confined phoretic suspensions
类似于它们的生物学对应物，化学活性自泳游泳者的悬浮液表现出非平凡的动力学，涉及自组织过程作为粒子间相互作用的结果。使用动力学模型的自趋化Janus颗粒的稀悬浮液，我们分析了这些集体行为和趋化聚集的有效粘度的活性流体的影响的一个封闭的压力驱动流的效果。四个动态制度时，确定增加的强度施加的压力驱动的流，每一个与不同的集体行为产生的竞争流和化学诱导的重新定向的游泳者一起限制。有趣的是，我们观察到，推动器的效果（分别为。拉料器）流体动力学特征，已知这会降低（相应地，增加）剪切悬浮液的有效粘度，在出现自趋化聚集时反转。我们的研究结果提供了新的见解集体动力学在复杂的环境中，这是相关的合成以及生物系统的作用。
2022-04-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Phoretic colloids close to and trapped at fluid interfaces
泳动胶体的主动运动导致它们在边界和界面处聚集。相对于它们的被动对应物，这样的过量积累使得泳动胶体的动力学对边界的存在特别敏感，并为外部控制它们的单个粒子以及集体行为铺平了新的途径。在这里，我们回顾了最近的一些理论结果的动力学的泳动胶体接近和吸附在流体界面，特别是突出的相似性和差异，相对于固体-流体界面。
2021-06-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Slender Phoretic Loops and Knots
本研究提出求解细长自泳动环与结动力学的渐近理论，可解析推导简单结构的运动参数，数值揭示多种奇特活性粒子的运动行为。
2024-04-17 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Diffusiophoretic propulsion of an isotropic active colloidal particle near a finite-sized disk embedded in a planar fluid-fluid interface
空间对称性破缺是泳动活性粒子在低雷诺数下游动的必要条件。在微观尺度上游泳的基本先决条件是通过活性颗粒表面的化学图案化或替代地通过利用几何不对称性来诱导化学梯度并实现自推进来实现的。在本手稿中，采用远场分析模型来量化的领先秩序的贡献，诱导泳动速度的化学均匀的各向同性活性胶体附近的圆形形状的有限大小的磁盘上分离两个不混溶的粘性不可压缩的牛顿流体的界面上休息。为此，电泳问题的解决方案制定为一个混合边值问题，随后转化为一个系统的对偶积分方程的内部和外部域。取决于不同的参与粘度和溶质溶解度的比率，泳动性和化学活性的符号，以及颗粒-界面距离与盘的半径的比率，各向同性活性颗粒被发现从界面排斥，吸引到它，或达到稳定的悬停状态，并在界面附近保持不动。我们的研究结果可能被证明是有用的控制和引导运动的自推进泳动活性粒子附近的水界面。
2021-09-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Phoretic and hydrodynamic interactions of weakly-confined autophoretic particles
受光粒子利用其表面自生的物理化学梯度进行自我推进。在悬浮液中，它们通过使周围的流体运动来进行流体动力学相互作用，并通过改变其邻居所看到的化学背景来进行化学作用。虽然大多数泳动系统由于浮力效应在密闭环境中发展，但大多数模型都专注于无界流中的相互作用。在这里，我们提出了第一个模型的相互作用的泳动粒子在Hele-Shaw限制，并表明，在这个限制，流体动力学和泳动相互作用不仅共享相同的缩放，但也有相同的形式，虽然在相反的方向。从本质上讲，我们表明，泳相互作用有效地扭转的相互作用，将获得纯粹的流体动力学相互作用的游泳运动员的迹象。然而，流体动力学相互作用不能被忽略，因为它们显著地影响相互作用的大小。然后，该模型用于分析悬架的行为。悬浮液表现出漩涡和集群集体模式决定的粒子之间的取向相互作用，类似于流体动力学游泳者，但在这里由泳动粒子的表面性质;反转的相互作用的迹象往往会减慢游泳运动的粒子。
2019-01-04 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Phoretic flow induced by asymmetric confinement
由于固体边界与局部化学梯度的相互作用而产生的内部电泳流动可以使用化学图案化来产生。或者，我们在这里证明，内部流动也可能是由化学均匀表面的几何不对称性引起的。我们研究了在两个偏心的圆柱形壁之间封闭的空腔中产生的循环流，圆柱形壁具有均匀的化学活性。扩散溶质的局部梯度引起沿圆柱体表面的滑移流，从而导致在扩散极限中可以解析地求解的循环整体流动模式。通过调节圆柱体的相对位置可以控制流动强度，并确定最佳配置。这些结果提供了一个可调电泳泵的模型系统。
2016-06-21 physics.flu-dyn
Phoretic interactions in two-medium wedge geometries
School of Mathematics and Statistics, The Open University（开放大学数学与统计学院）
本文针对双介质楔形几何中极限佩克莱数与雷诺数下的活性胶体扩散泳动，采用傅里叶-孔托罗维奇-列别杰夫变换得到精确解，揭示几何与界面性质对泳动的调控作用，为受限多相环境的泳动输运控制提供了框架。
2026-09-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrochemical interactions of phoretic particles: a regularized multipole framework
化学活性胶体改变其周围化学溶质的浓度，以便自推进。在这样做的过程中，它们会产生长距离的流体动力学流动和化学梯度，从而改变其他粒子的轨迹。因此，反应性悬浮液的动力学从根本上取决于水化学相互作用。一个完整的解决方案，详细的水化学问题与许多粒子是具有挑战性的和计算昂贵的。目前大多数方法依赖于拉普拉斯和斯托克斯算子的格林函数来近似远场中的粒子签名，这仅在简单几何中的非常稀的极限下有效。为了克服这些限制，我们提出了一个正规化的多极框架，直接受到力耦合方法（FCM）的启发，模型电泳悬浮液。我们的方法，称为扩散泳流式细胞仪（DFCM），依赖于基于网格的体积平均浓度场来计算颗粒表面浓度矩。这些时刻定义了扩散（拉普拉斯）问题的化学多极，并提供了斯托克斯方程的游泳强迫。与基于奇点叠加的远场模型不同，DFCM考虑了相互诱导的偶极子。方法的准确性进行评估对精确和精确的数值解的几个典型的情况下。我们还量化了它的改进远场近似的广泛的粒子间距离。由此产生的框架可以很容易地实施到有效的CFD求解器，允许大规模模拟半稀释扩散泳悬浮液。
2021-05-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Phoretic Active Matter
这些笔记是在Les Houches暑期学校“活性物质和非平衡统计物理”在2018年8月和9月期间给出的一系列讲座的帐户。讲座可在[http：//www.ds.mpg.de/lmp/lectures/les-houches-2018]在线观看。
2019-10-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Spontaneous onset of convection in a uniform phoretic channel
泳动机制，化学溶质的梯度诱导表面驱动的流动，最近已被用来产生图案化的胶体颗粒的定向推进。当化学溶质缓慢扩散时，不稳定性通过自发地破坏溶质分布的对称性进一步为活性但各向同性的颗粒提供了自推进的途径。在这里，我们从理论上表明，在一个机制类似于Bénard-Marangoni对流，电泳现象可以创建自发和自我维持的壁驱动的混合流动内直，化学均匀的活性通道。这种自发流动不会导致均匀通道的任何净泵送，但会极大地改变化学溶质的传输分布。不稳定性预计发生溶质Péclet数超过临界值和一个乐队的有限扰动波数。我们解决的扰动问题解析表征的不稳定性，并使用稳定和非稳定的数值计算的完整的非线性传输问题，以捕获长时间的耦合动力学的溶质和流动的通道内。
2019-12-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Artificial chemotaxis of phoretic swimmers: Instantaneous and long-time behaviour
泳动粒子是近年来受到广泛关注的一类人工活性粒子。通过利用自生的梯度（例如，温度、电势或某些化学产品），泳动游泳者能够自我推进，而没有移动身体部分或受控外部场的复杂性。专注于扩散电泳，我们在本文中量化的机制，通过该泳动颗粒可以实现趋化性，无论是在个人和非相互作用的人口水平。首先，我们推导出一个充分的分析法的瞬时推进和定向的泳泳者与一般的轴对称表面的属性，在零Péclet数和小Damköhler数的限制。然后，我们将我们的研究结果的情况下，Janus球，最常见的设计之一，用于实验研究的泳者。接下来，我们提出了一种新的应用广义泰勒色散理论，以证明非相互作用的泳动者的人口的长期行为。我们比较我们的理论结果与数值模拟的平均漂移和各向异性扩散的泳动游泳在化学梯度。我们的研究结果将有助于通知泳泳者在未来的实验应用的设计。
2018-09-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Exact axisymmetric interaction of phoretically active Janus particles
研究了两个化学活性Janus粒子的轴对称相互作用。依靠场方程的线性和对称性参数，我们推导出粒子相对速度的一般解。我们表明，无论系统的化学性质，相对速度可以写为一个线性的几何函数的总和，只依赖于颗粒之间的间隙大小。我们通过一个精确的方法，占充分的化学和流体动力学的相互作用来评估这些功能。利用得到的解，我们揭示了每个隔间在相对运动中的作用，并讨论了不同相互作用的贡献。然后，我们表明，动力系统描述的相对运动的两个Janus粒子可以有多达三个不动点。这些不动点可以是稳定的，也可以是不稳定的，这表明两个Janus粒子的系统可以表现出各种各样的非平凡行为，这取决于它们的初始间隙大小和它们的化学性质。我们还研究了Janus粒子的具体情况，其中一个隔室是惰性的，并给出了它们在活动-迁移率参数空间中的相对行为的状态图。
2020-09-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Shaping active matter from crystalline solids to active turbulence
本研究通过大规模智能体分辨模拟表明，仅调节湿式泳动介质活性即可连续控制固液气相变与层流—湍流转变，并统一解释化学活性系统的矛盾实验。
2024-03-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Self-propulsion in 2D Confinement: Phoretic and Hydrodynamic Interactions
具有化学活性的Janus粒子沿其表面产生切向浓度梯度，用于自推进。虽然这是很好的研究在无界域，在生物相关的环境，如禁闭的分析是稀缺的。在这项工作中，我们研究了弱约束下的Janus球的运动。粒子被放置在任意位置，在两个壁之间具有任意方向。利用反射的方法，我们研究了限制平面边界上的电泳和流体动力学相互作用的效果，以及它们对Janus粒子动力学的后果。的动态轨迹进行了分析，使用相图不同的表面覆盖的活动和溶质-粒子相互作用。除了近壁状态，如“滑动”和“悬停”，我们表明，占两个平面边界揭示了两个新的状态：通道跨越振荡和阻尼振荡的中心线周围，其特征在于作为“散射”或“反射”的早期分析单壁相互作用。使用相图，我们突出了惰性面对和积极面对Janus粒子的差异。我们还比较了Janus粒子与蠕动体的动力学，以对比化学相互作用与流体动力学效应。从目前的工作中获得的见解表明，生物和人工游泳者通过长距离的相互作用来感知周围环境，这种相互作用可以通过改变表面特性来改变。
2021-07-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Floor- or ceiling-sliding for chemically active, gyrotactic, sedimenting Janus particles
表面结合催化化学反应自推进化学活性Janus粒子。在边界附近，这些粒子表现出丰富的行为，如发生壁约束的稳定状态的“滑动”。大多数活性颗粒倾向于沉淀，因为它们与溶液的密度不匹配。此外，由惰性核心材料装饰有帽状催化剂薄层组成的Janus球体是回旋立构的（“底部重”）。水平壁附近滑动状态的发生取决于主动运动和重力驱动的沉积和排列之间的相互作用。因此，重要的是要了解和量化的影响，这些重力引起的影响模型化学活性粒子的行为移动附近的墙壁。对于模型回旋，自泳Janus粒子，在这里，我们研究理论上的滑动状态的发生在水平平面壁，要么低于（“地板”）或以上（“天花板”）的粒子。我们构建“状态图”，表征这种状态的发生作为沉降速度和颗粒的回旋响应的函数，以及颗粒的泳动性。我们表明，在某些情况下，滑动状态可能同时出现在天花板和地板，而较大的一部分的实验相关的参数空间对应的粒子，将表现出滑动状态，只有在地板上或天花板上，或者根本没有滑动状态。这些预测与以前的实验研究和我们的实验结果进行了严格的比较Pt涂层的聚苯乙烯和二氧化硅的核心颗粒悬浮在过氧化氢水溶液中。
2020-01-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Self-organisation of auto-phoretic suspensions in confined shear flows
本研究通过连续介质动力学模型模拟，探究受限剪切流中趋化性Janus泳动粒子稀悬浮液的动力学，揭示了受限驱动的一维瞬态稳态分布特征及稳定性，并分析了粒子对流动的反馈与悬浮液有效黏度。
2023-12-14 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Can phoretic particles swim in two dimensions?
人工泳动粒子利用化学物种（自扩散泳动）或电荷和电流（自电泳）中的自生梯度游动。这些粒子可用于研究活性物质的集体运动物理，并可能在生物工程中有很好的应用前景。在自扩散电泳的情况下，经典的物理模型依赖于扩散方程的稳定解，从该稳定解可以导出化学梯度、电泳流和最终的游泳速度。出于对薄膜中的圆盘状粒子的研究，我们研究了二维的扩展。由于二维扩散方程缺乏一个具有正确边界条件的稳态，因此必须使用拉普拉斯变换来研究问题的长时间行为并确定游泳速度。对于固定的化学通量的颗粒表面上，我们发现，游泳速度最终总是随时间的推移而衰减。在有限的Peclet数的情况下，我们解决了充分的对流扩散方程的数值和表明，这种衰减可以避免移动到未消耗的反应物的区域的粒子。有限平流，从而正规化的二维泳问题。
2016-11-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Phoretic swimming with bulk absorption
本研究探讨了存在体相溶质吸收的化学活性胶体自泳动问题，分析了两种参数关联情形下的速度渐近行为，验证了大达姆科勒数下的边界层理论，并指出边界过渡区输运与Sommerfeld边缘衍射问题相似。
2023-10-06 physics.flu-dyn
Self-propulsion of an elliptic phoretic disk emitting solute uniformly
本文通过数值模拟和线性稳定性分析，系统研究了均匀释放溶质的椭圆泳动盘在蠕流中的自推进行为，揭示了偏心率与佩克莱数共同调控的五种运动模式及其失稳机制。
2024-06-06 physics.flu-dyn
Autophoretic motion in three dimensions
具有在自生化学浓度梯度中发光移动能力的Janus粒子是活性物质的模型系统。它们的运动通常由直线路径组成，旋转扩散是主要的重定向机制。在本文中，我们从理论上表明，通过一个适当的表面覆盖的活动和流动性，平移和旋转运动可以诱导任意在三维空间。所得到的轨迹通常是螺旋形的，并且它们的节距和半径可以通过调节平移速度和角速度之间的角度来控制。基于固定通量化学边界条件下轴对称自泳运动的经典数学框架，我们首先展示了如何计算任意表面覆盖的球形颗粒的最一般的三维运动。在说明了我们的表面分布的结果，我们接下来介绍一个简单直观的补丁模型作为指导设计任意电泳球。
2018-03-05 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Autophoretic locomotion from geometric asymmetry
在已经提出的用于产生小规模游泳者的少数方法中，那些依赖于自泳机制的方法提出了一个有趣的设计挑战，因为需要化学梯度来产生净推进力。基于最近的工作，我们提出几何不对称足以诱导化学梯度和游泳。我们用两个不同的计算来说明这个想法。我们首先精确计算由两个大小不等但化学性质相同的球体组成的系统的自推进速度。然后，我们考虑任意，小振幅，形状变形的化学均匀的球，并计算渐近的形状不对称性引起的自推进速度。我们的研究结果表明，几何不对称性可以被调整，以诱导大的运动速度，而不需要化学图案。
2015-01-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Chemically active colloids near osmotic-responsive walls with surface-chemistry gradients
化学活性胶体通过在周围溶液的组成中产生梯度并通过利用它们与溶液中各种分子物种相互作用的差异来移动。如果这些粒子在边界附近移动，例如，容器的壁限制悬浮液，也沿着壁产生溶液组成的梯度。这引起化学渗透（通过壁与形成溶液的分子种类的相互作用），其驱动耦合回到胶体的流动，从而影响其运动性。采用近似的“点粒子”分析，我们分析表明-由于这种诱导的主动响应（化学渗透）的壁-这种化学活性胶体可以对齐，并遵循，在壁的表面化学梯度。从这个意义上说，这些人造“游泳者”表现出一种原始形式的趋触性，其意义是感知环境中的物理变化（不一定是不连续的）的接近程度。我们表明，与表面化学梯度的对齐对于化学活性胶体是通用的，只要它们在无界流体中表现出运动性，即，这种现象不依赖于推进机构的确切细节。结果进行了讨论的背景下，简单的模型的化学活性，对应的Janus粒子与“源”的化学反应的一半的表面和“惰性”或“汇”的反应在另一半。
2016-08-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Axisymmetric spheroidal squirmers and self-diffusiophoretic particles
我们研究，通过一个精确的解析解，一个球形的，轴对称的蠕动在无界流体中的运动，以及与之相关的低雷诺数流体动力学流动。与由蠕动引起的流动相关的蠕动的速度和小应力的大小分别由前两个滑移（“蠕动”）模式的幅度确定-对于球形蠕动，每个蠕动模式或者对速度有贡献，或者对小应力有贡献。结果直接扩展到自泳的轴对称，球状，化学活性粒子的情况下，当泳滑近似举行。
2019-12-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
Guiding catalytically active particles with chemically patterned surfaces
悬浮在溶液中的催化活性Janus颗粒沿着其表面以及沿着任何附近的容器壁在溶液的化学组成中产生梯度。前者导致自泳，而后者引起化学渗透，为自我运动提供额外的贡献。化学渗透强烈地依赖于扩散的化学物质和壁之间的分子相互作用。我们分析表明，使用一个近似的“点粒子”的方法，通过化学图案化的平面基板可以直接运动的Janus粒子：诱导的化学渗透流可以导致粒子要么“码头”在两种材料之间的化学步骤，或遵循化学条纹。这些理论预测证实了充分的数值计算。一般来说，停靠发生在倾向于远离其催化帽的颗粒上，而条纹跟随发生在相反的情况下。我们的分析揭示了控制这种行为的物理机制。
2016-09-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Shape-dependent guidance of active Janus particles by chemically patterned surfaces
自泳Janus粒子通过诱导-通过在其表面上发生的非平衡化学反应-改变它们浸入其中的溶液的化学成分来移动。这个过程导致沿着颗粒表面的化学成分梯度，以及沿着任何附近的边界，包括固体壁。沿壁的化学梯度可引起化学渗透，即，梯度驱动表面流动，表面流动又驱动溶液体积中的流动。这种整体流动耦合回颗粒，从而有助于其自我运动。由于化学渗透强烈地依赖于扩散分子种类和壁之间的分子相互作用，由颗粒诱导和经历的响应流编码关于壁的任何化学图案化的信息。在这里，我们扩展了以前的研究在一个化学图案化的墙壁附近的球的自泳的情况下，细长形状的颗粒。我们集中我们的分析可能出现的新的现象学的耦合-这是一个球形的细长颗粒的化学渗透流的应变率张量。通过数值计算，我们表明，一个棒状粒子的动力学表现出一种新的“边跟踪”的稳态：粒子平移沿化学步骤的边缘在一个稳定的距离的步骤，并具有稳定的取向。在一定的系统参数范围内，边缘跟随状态与“停靠”状态共存（粒子在台阶处停止，定向为垂直于台阶边缘），即，一个不稳定的动态发生。这些研究结果是合理化的结果之间的竞争的流体涡度和应变率通过使用分析理论的基础上捕获准定量的动态系统的点粒子近似。
2017-11-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Self-propulsion of chemically-active droplets
微观活性液滴能够在粘性流中自主游动：这种令人困惑的特征源于溶质通过表面反应或其自发溶解与周围流体的交换，以及由这些溶质梯度产生的界面流。与不对称活性胶体相反，这些各向同性液滴通过利用溶质输运与自生Marangoni流的非线性耦合自发地游泳，这也是向更复杂的个体和集体动力学的二次过渡的原因。由于其简单的设计和对物理化学信号的敏感性，它们是迷人的物理学家，化学家，生物学家和流体动力学家，分析活性物质系统中的粘性自推进和集体动力学，开发合成细胞模型或执行目标生物医学或工程应用。我在这里回顾了这个快速发展的领域的最新和重要的发展，专注于这些intringinging液滴的数学和物理建模，连同其实验设计和表征。
2022-04-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Weakly nonlinear dynamics of a chemically active particle near the threshold for spontaneous motion. II. History-dependent motion
我们开发了一个简化模型的慢非定常动力学的各向同性化学活性粒子附近的阈值自发运动。在本系列第一部分中开发的稳定理论的基础上，我们匹配一个弱非线性膨胀有效的颗粒尺度上的领先阶近似在一个较大规模的不稳定的远程区域，在那里的颗粒作为一个移动的点源扩散浓度。由此产生的振幅方程的速度的颗粒包括一个术语，代表的相互作用的颗粒与自己的浓度尾流在远程区域，它可以表示为一个时间积分的历史上的颗粒运动，允许有效的模拟和理论分析的全三维非定常问题。为了说明如何使用该模型，我们研究了作用在粒子上的弱力的影响，包括稳定状态的稳定性以及速度矢量如何朝向稳定状态重新排列，这两个都不是以前的轴对称和稳定模型能够捕获的。这种非定常公式也可以应用于第一部分中研究的大多数其他扰动情况以及相互作用的活性粒子的动力学。
2023-02-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Interfacial activity dynamics of confined active droplets
本文通过双通道显微实验与 Brinkman squirmer 模型，研究受限活性油滴的界面活性动力学，揭示了随液滴半径增大出现的涡流迁移、偶极-四极双稳态及多极模态转变，并阐明其源于胶束慢扩散与分子快扩散之间的时间尺度竞争。
2022-11-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Emergent behavior in active colloids
活性胶体是微观粒子，其通过将从其环境中提取的能量转化为定向运动而在粘性流体中自推进。我们首先解释如何artificial microswimmer向前移动产生近表面的流场通过自泳或自诱导Marangoni效应。然后，我们讨论了通用功能的动态单个活性胶体在散装和禁闭，以及在重力，场梯度和流体流动的存在下。在第三部分中，我们回顾了活性胶体悬浮体的涌现集体行为，着重于它们的结构和动力学性质。在总结实验观察的基础上，我们对集体运动的活性胶体模型的进展进行了概述。虽然活跃的布朗粒子被大量用于研究大尺度的集体动力学，但需要更先进的方法来探索流体动力学和泳动粒子相互作用的重要性。最后，提出了量化涌现集体行为的物理方法。
2016-01-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Steady state propulsion of isotropic active colloids along a wall
活性液滴发射/吸收化学溶质，其浓度梯度导致界面流驱动其自身的运输和液滴的推进。这种非线性耦合使得活性液滴能够实现定向自推进，尽管它们是各向同性的，如果对流扩散溶质传输的比率，即佩克莱数Pe，大于有限的临界阈值。在大多数实验情况下，主动液滴是非中性浮力的，因此沿着刚性表面游动;然而，它们的非线性运动的理论描述几乎完全集中在无界域上，以规避几何复杂性。为了克服这一认识上的差距，我们研究了各向同性泳动胶体沿刚性壁推进的自发出现和非线性饱和，它被恒定的外力（例如，重力）。这种泳动颗粒模型在这里被认为是一个粘性的活性液滴的限制情况。我们发现，对于温和的Pe，粒子运动和相关的化学运输减少了化学诱导的壁排斥，从而导致粒子游泳逐步接近壁作为Pe的增加。远离阻碍自推进，这种减少在颗粒壁分离是伴随着壁诱导的有效重排的溶质浓度梯度驱动的颗粒，从而增加其游泳速度。
2022-09-15 physics.flu-dyn
Theory of light-activated catalytic Janus particles
我们研究了活性Janus粒子的动力学，这些粒子通过化学“燃料”的光活化催化分解在溶液中自推进。“我们开发了一个光活性自泳粒子的分析模型，该模型解释了粒子不透明催化面对光的“自遮蔽”。我们发现，自遮蔽可以驱动“趋光性”（朝向光源的催化帽的旋转）或“反趋光性”，这取决于粒子的性质。通过分析热噪声的影响，我们发现粒子取向的分布是由具有非平衡有效势的玻尔兹曼分布捕获的。此外，趋光（反趋光）粒子的平均垂直速度表现出超线性（次线性）的强度依赖性。总的来说，我们的研究结果表明，光活性粒子对光表现出丰富的“战术”反应，这可以用来编程复杂的三维轨迹。
2019-05-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Two-phase flow in a chemically active porous medium
我们研究的问题，一个给定的反应物物种转化成一个不混溶的产品物种，因为它们流过一个化学活性多孔介质。我们推导出的方程的物种的体积分数的演变-在一个一维的宏观描述-，确定相关的无量纲数，并提供简单的模型毛细管压力和相对渗透率，这是数量的处理多孔介质中的多相流时至关重要的。我们设置我们的模型的有效性域，并讨论了粘性耦合项的重要性，在扩展的达西定律。我们研究了数值稳定的制度，并表明，沿反应器的物种的空间转化率是非单调的，证明了存在一个拐点的体积分数分布。我们得到了这个拐点的位置与问题的无量纲长度的缩放。最后，我们提供了优化反应器的关键要素。
2014-11-20 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamic capture of microswimmers into sphere-bound orbits
自推进粒子可以表现出令人惊讶的非平衡行为，它们如何与障碍物或边界相互作用仍然是一个重要的开放问题。在这里，我们表明，化学推进的微棒可以被捕获，在他们的速度变化不大，到附近的固体球休息或附近的水平面上的关闭轨道。我们发现，这种相互作用之间的球体和颗粒是短程的，甚至发生在小于颗粒长度的球体，并为各种球体材料。我们考虑一个简单的模型，润滑理论的基础上，力和扭矩自由泳者驱动的表面滑移（泳推进机制）和移动附近的固体表面。该模型演示了捕获或朝向表面的移动，并产生与距离无关的速度。这项研究揭示了自推进粒子与被动物体的活动驱动相互作用的关键方面，并提出了使用胶体示踪剂作为活性物质探针的问题。
2013-09-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Clustering-induced self-propulsion of isotropic autophoretic particles
自扩散电泳颗粒利用溶质物质的局部浓度梯度，以便在微米尺度下自推进。虽然一个孤立的化学和几何各向同性的颗粒不能游泳，我们表明，它可以实现自我推进，通过与其他单独的非能动粒子的相互作用，通过形成几何各向异性集群通过泳动和流体动力学相互作用。这一结果确定了一个新的路线，以打破浓度场和自我推进，这不是基于各向异性的设计，但在集体动力学的相同和均匀的活性粒子。使用完整的数值模拟以及理论建模的聚类过程中，统计的推进性能得到任意初始排列的颗粒。这些结果的鲁棒性的热噪声，更一般的布朗运动的颗粒的效果，也进行了讨论。
2018-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Weakly nonlinear dynamics of a chemically active particle near the threshold for spontaneous motion. I. Adjoint method
在这个系列中，我们研究了自发运动阈值附近的化学活性粒子的弱非线性动力学。在这一部分中，我们专注于稳定的解决方案，并制定了一个“伴随方法”推导出的非线性振幅方程的粒子的速度，首先假设在文献中的各向同性化学活性粒子的正则模型，然后考虑一般的扰动模型。在以前的作品中，振幅方程是从一个可解性条件上的非齐次问题，在第二阶的粒子尺度弱非线性膨胀，制定该问题涉及渐近匹配的领先的解决方案，在一个偏远地区的平流和扩散是平衡的。我们开发了一个广义的可解性条件的基础上Fredholm替代参数，这需要确定伴随线性算子的阈值和计算其内核。这就避免了在早期理论中显然需要解决二阶非齐次问题的问题，从而大大简化了问题，并通过在一个共同的基础上处理各种各样的扰动情况来增加洞察力。为了说明我们的方法，我们推导和求解振幅方程的扰动情况下（外力和扭矩场，非均匀的表面性质，一阶表面动力学和散装吸收），表明足够接近阈值弱扰动可以明显修改和丰富的景观稳定的解决方案。
2022-11-17 physics.flu-dyn
Steady translation of a chemically active viscous drop along a rigid wall
University of Birmingham（伯明翰大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；Ecole Polytechnique（巴黎综合理工学院）；Institut Polytechnique de Paris（巴黎理工学院）
本研究通过理论分析化学活性粘性液滴沿刚性壁面的平动，发现低粘度液滴更靠近壁面且游动更快，并证明其速度对迁移率比依赖较弱，为扩散泳粒子模型的有效性提供了定量依据。
2026-10-08 physics.flu-dyn
Longwave nonlinear theory for chemically active droplet division instability
最近有人提出，原始细胞的生长和分裂可以通过具有由外部燃料供应驱动的简单化学反应的化学活性液滴来模拟。这个模型被称为连续模型。事实上，它的数值模拟揭示了形状不稳定性，导致液滴分裂成两个相同大小的较小液滴，类似于细胞分裂[1]。在本文中，我们研究的简化版本的连续模型，这是所谓的有效模型。该模型研究在线性和非线性政权。首先，我们进行了线性稳定性分析的平坦界面，然后我们开发了一个非线性理论使用长波方法。我们发现，在领先的顺序的接口是由修改后的Kuramoto-Sivashinsky方程。因此，界面在有限时间后服从对数爆破。此外，还得到了界面局部速度的表达式。
2018-12-06 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Fluctuating hydrodynamics of an autophoretic particle near a permeable interface
该研究建立了可渗透界面附近自泳粒子的涨落流体动力学理论框架，推导了无界域精确解与近边界格林函数修正，给出复杂环境下粒子布朗运动的随机方程，并分析了界面渗透率和黏度比对粒子悬浮行为的影响。
2024-11-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Instability and self-propulsion of active droplets along a wall
活性液滴可以在粘性流中自发游动，这是由于Marangoni和/或由该溶质的不均匀分布产生的泳动流在其表面产生的化学溶质的非线性对流传输，只要对流与扩散溶质传输的比率或Péclet数$\mbox{Pe}$足够大。由于它们的净浮力，活性液滴通常在距刚性边界小的有限距离$d$处演化。然而，现有的模型系统地集中在无界流动，忽略了壁面接近的效果上的推进机制的非线性的本质。与此相反，我们在这里获得一个关键的洞察力，通过分析他们的稳定性，非轴对称扰动和由此产生的自推进沿壁的壁距离$d$上没有限制的假设。根据$d$和$\mbox{Pe}$识别偶极或四极轴对称（悬浮）基态。也许与直觉相反，观察到下降壁分离$d$的减少使这些模式不稳定并促进自推进，这是由于驱动运动的化学梯度的限制诱导的局部化。此外，四极状态是更不稳定的，比他们的偶极同行由于再分配的化学扰动的基流，有利于出现更强的滑移强迫的下降表面。
2021-11-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Fluid flow and spatiotemporal chaos in chemically active emulsions
Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Department of Mechanical Engineering, Keio University（庆应义塾大学机械工程系）；Department of Physics, Harvard University（哈佛大学物理系）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）；Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden（德累斯顿工业大学生命物理学卓越集群）
研究化学活性乳液在化学反应作用下相分离时的流体流动与时空混沌现象，揭示其非线性动力学特性。
2025-09-19 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Nonlinear dynamics of a chemically-active drop: from steady to chaotic self-propulsion
单个化学活性液滴悬浮在表面活性剂溶液中，观察到自推进自发直线，螺旋形，或混乱的轨迹。为了阐明这些滴可以表现出如此惊人的不同的动力学和“决定”做什么，我们提出了一个最小的轴对称模型的球形主动滴，并表明，简单和线性的界面特性可以导致稳定的自推进液滴以及混沌行为。该模型包括两种不同的流动性机制，即，扩散电泳和马兰戈尼效应，将自生的表面活性剂浓度梯度转化为液滴表面的流动。反过来，表面驱动流启动表面活性剂平流，这是唯一的非线性机制，因此，在我们的模型中的动力学复杂性的唯一来源。对完全耦合的水动力和平流扩散问题的数值研究表明，强平流（例如，大的液滴尺寸）可以使稳定的自推进液滴不稳定;一旦不稳定，液滴自发地停止并且出现对称的可延伸流。如果平流与分子扩散相比甚至进一步加强，则液滴可以进行混沌振荡。我们的研究结果表明，这些不稳定性的阈值在很大程度上取决于扩散电泳和Marangoni效应之间的平衡。使用线性稳定性分析，我们表明，diffusiophoresis促进发病的高阶模式的单调不稳定的静止滴。我们认为，扩散电泳有一个移动的下降的不稳定性类似的效果。
2019-01-08 physics.flu-dyn
Toward a theoretical framework for self-diffusiophoretic propulsion near a wedge
School of Mathematics and Statistics, The Open University（开放大学数学与统计学院）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPI-DS)（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, University of Oxford（牛津大学鲁道夫·派尔斯理论物理中心）
本文提出了一种理论框架，用于分析楔形领域内催化活性粒子的自扩散自推运动，探讨了楔形几何对粒子运动的影响。
2026-01-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Collisions and rebounds of chemically-active droplets
活性液滴游动是由于它们消耗或释放的化学物质的分布与它们的非均匀表面分布所产生的马兰戈尼流的非线性平流耦合的结果。大多数现有的模型集中在无界流体中的单个液滴的自推进上，当扩散足够慢时（即，超过临界Péclet数，$\mbox{Pe}_c$），这会出现。尽管它的实验相关性，耦合动力学的多个液滴和/或碰撞的墙壁仍然大多未被探索。采用一种基于移动拟合双球面网格的新方法，求解了化学溶质和流场的全耦合非线性动力学，详细描述了活性液滴与刚性壁面（或与第二液滴）的轴对称碰撞。动力学是惊人的不同取决于对流扩散传输比，$\mbox{Pe}$：接近自推进阈值（中度$\mbox{Pe}$），回弹动力学由化学相互作用设定，并且通过渐近分析很好地捕获;相反，对于较大的$\mbox{Pe}$，流体动力学和化学效应的复杂和非线性组合设定详细的动力学，包括更接近壁和在液滴反弹后不久的速度平台。回弹特性，即最小距离和持续时间，最后根据$\mbox{Pe}$完全表征。
2019-12-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Inertial Self-Caging: Dynamics of Macroscopic Swimmers at Moderate Reynolds Number Sustaining Chemical Wake Resonance
University of Trento（特伦托大学）
研究通过化学驱动的宏观水凝胶在中等雷诺数下展示自驱动游动体的惯性自封动态，揭示化学尾流共振与运动特性之间的耦合机制。
2026-01-16 physics.flu-dyn
Stresslets induced by active swimmers
活性粒子作为力偶极子或应力波干扰周围的流体，这决定了它们的集体动力学。与游泳速度不同，由于缺乏合适的理论框架，任意几何形状的活性颗粒的应力很少被确定。我们提出了一个通用的方法，根据斯托克斯流的互易定理，计算stresslets作为粒子表面上的速度的积分，我们说明了球形化学活性粒子。我们的方法将允许调整人工游泳者的应力波，并在复杂的环境中定制他们的集体运动。
2019-02-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
PyStokes: phoresis and Stokesian hydrodynamics in Python
我们提出了一个模块化的Python库，用于计算悬浮液中球形活性颗粒之间的多体流体动力学和电泳相互作用，当这些由斯托克斯和拉普拉斯方程的解给出时。该库的基础是一种无网格方法，该方法结合了降维、谱展开和Ritz-Galerkin离散化，从而将计算减少到线性系统的解。该系统可以解析地解决作为一个系列的扩展或数值上的成本在粒子数的平方。悬浮液规模的数量，如流体流动，熵产生，流变学响应是在一个小的额外成本。该库是不可知的边界条件，并包括，除其他外，由平面壁或液-液界面的限制。该库的使用证明了六个完全编码的例子模拟当前实验兴趣的活动现象。
2020-07-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Bouncing, chasing or pausing: asymmetric collisions of active droplets
化学活性液滴呈现复杂的回避轨迹。虽然不均匀性在活性物质实验中是不可避免的，但在他们的建模中大多被忽视。利用其几何简单性，我们完全解决了两个不同半径的游泳液滴的正面碰撞，并证明即使是很小的对比度的大小也会严重影响它们的碰撞和随后的动力学。我们确定了三个根本不同的制度。由此产生的成对碰撞的高灵敏度预计将深刻影响他们的集体动力学。
2020-02-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
