Кластеризация самоходных частиц - Clustering of self-propelled particles - Wikipedia

Многие экспериментальные реализации самоходные частицы проявляют сильную тенденцию к агрегированию и формированию кластеров,[1][2][3][4][5] чья динамика намного богаче, чем у пассивных коллоидов. Эти агрегаты частиц образуются по разным причинам, от химических градиентов до магнитных и ультразвуковых полей.[6] Самоходные энзимные двигатели и синтетические наномоторы также проявляют эффекты кластеризации в виде хемотаксиса. Хемотаксис это форма коллективное движение биологических или небиологических частиц к источнику топлива или вдали от угрозы, как это наблюдается экспериментально при диффузии ферментов[7][8][9] а также синтетический хемотаксис[10][11][12] или фототаксис.[12] Помимо необратимого обучения, самоходные частицы также демонстрируют обратимое коллективное движение, такое как поведение хищник-жертва и колебательное группирование и рассеяние.[13][14][15][16]

Феноменология

Такое поведение кластеризации наблюдалось для самоходных Частицы Януса, либо покрытые платиной золотые частицы[1] или гранулы из диоксида кремния с углеродным покрытием,[2] и для частиц с магнитным или ультразвуковым приводом.[5][6] Кластеризация наблюдалась также для коллоидных частиц, состоящих из встроенного куба гематита.[3] или медленно диффундирующие ионы металлов.[4][13][14][15][16] Кластеризация также происходит при диффузии молекул фермента.[7][8][9][17] Во всех этих экспериментах движение частиц происходит по двумерной поверхности, и кластеризация наблюдается для долей площади всего 10%. Для таких малых долей площади кластеры имеют конечный средний размер[1] в то время как при большей доле площади (30% или выше) сообщалось о полном разделении фаз.[2] Динамика кластеров конечного размера очень разнообразна, демонстрируя либо кристаллический порядок, либо аморфную упаковку. Конечный размер кластеров возникает из-за баланса между присоединением новых частиц к уже существующим кластерам и распадом больших кластеров на более мелкие, что привело к термину «живые кластеры».[3][4][13][14][15][16]

Механизм для синтетических систем

Точный механизм, приводящий к появлению кластеров, полностью не выяснен и является актуальной областью исследований для многих систем.[18] Было предложено несколько различных механизмов, которые могут применяться в различных экспериментальных установках.

Самодвижущиеся частицы могут накапливаться в области пространства, где они движутся с пониженной скоростью.[19] После накопления в областях с высокой плотностью частиц частицы движутся медленнее из-за стерических затруднений. Обратная связь между этими двумя механизмами может привести к так называемому фазовому разделению, вызванному подвижностью.[20] Однако это разделение фаз может быть остановлено химически обусловленными межчастичными моментами.[21] или гидродинамические взаимодействия,[22][23] что могло бы объяснить образование кластеров конечного размера.

В качестве альтернативы, кластеризация и разделение фаз могут происходить из-за наличия сил притяжения между частицами, как в равновесных суспензиях. Тогда активные силы будут противодействовать этому фазовому разделению, разрывая частицы в кластере,[24][25] следующие два основных процесса. Во-первых, отдельные частицы могут существовать независимо, если их движущие силы достаточны для выхода из кластера. Во-вторых, большой кластер может разбиться на более мелкие части из-за нарастания внутреннего напряжения: по мере того, как все больше и больше частиц входит в кластер, их движущие силы складываются, пока они не нарушат его сцепление.

Диффузиофорез также является часто упоминаемым механизмом кластеризации и коллективного поведения, включающим притяжение или отталкивание частиц друг к другу в ответ на ионные градиенты.[4][13][14][15][16] Диффузиофорез представляет собой процесс, включающий градиенты концентраций электролита или неэлектролита, взаимодействующие с заряженными (электрофоретические взаимодействия) или нейтральными (хемофоретические взаимодействия) частицами в растворе и с двойным слоем любых стенок или поверхностей (электроосмотические взаимодействия).[15][16]

В экспериментах были выдвинуты аргументы в пользу любого из перечисленных механизмов. Для гранул диоксида кремния с углеродным покрытием взаимодействия притяжения кажутся незначительными, и фазовое разделение действительно наблюдается при больших плотностях.[2] Однако для других экспериментальных систем силы притяжения часто играют большую роль.[1][3][4][13][14][15][16]

Отзывы

Поведение кластеров в самоходных частицах и ферментных двигателях подробно обсуждается в разделах, посвященных коллективному поведению, хемотаксису и / или диффузиофорезу, в нескольких обзорах ведущих исследователей самоходные частицы и наномоторы поля.[26][27][28][29][30][31][32]

Рекомендации

  1. ^ а б c d Theurkauff, I .; Cottin-Bizonne, C .; Palacci, J .; Ybert, C .; Боке, Л. (26 июня 2012 г.). «Динамическая кластеризация в активных коллоидных суспензиях с химической сигнализацией». Письма с физическими проверками. 108 (26): 268303. arXiv:1202.6264. Bibcode:2012PhRvL.108z8303T. Дои:10.1103 / PhysRevLett.108.268303. PMID  23005020.
  2. ^ а б c d Буттинони, Иво; Бялке, Джулиан; Кюммель, Феликс; Лёвен, Хартмут; Бехингер, Клеменс; Спек, Томас (5 июня 2013 г.). «Динамическая кластеризация и фазовое разделение в суспензиях самоходных коллоидных частиц». Письма с физическими проверками. 110 (23): 238301. arXiv:1305.4185. Bibcode:2013ПхРвЛ.110в8301Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.110.238301. PMID  25167534.
  3. ^ а б c d Палаччи, Джереми; Саканна, Стефано; Стейнберг, Ашер Преска; Пайн, Дэвид Дж .; Чайкин, Пол М. (31 января 2013 г.). «Живые кристаллы светоактивированных коллоидных серферов». Наука. 339 (6122): 936–40. Bibcode:2013Научный ... 339..936П. Дои:10.1126 / science.1230020. ISSN  0036-8075. PMID  23371555.
  4. ^ а б c d е Ибеле, Майкл; Маллук, Томас Э .; Сен, Аюсман (20 апреля 2009 г.). «Поведение при обучении легких автономных микромоторов в воде». Angewandte Chemie. 121 (18): 3358–3362. Дои:10.1002 / ange.200804704. ISSN  1521-3757.
  5. ^ а б Каган, Даниил; Баласубраманян, Шанкар; Ван, Джозеф (10 января 2011 г.). «Химически инициированное роение микрочастиц золота». Angewandte Chemie International Edition. 50 (2): 503–506. Дои:10.1002 / anie.201005078. ISSN  1521-3773. PMID  21140389.
  6. ^ а б Ван, Вэй; Кастро, Луз Анжелика; Ойос, Маурисио; Маллук, Томас Э. (24 июля 2012 г.). «Автономное движение металлических микростержней, приводимых в движение ультразвуком». САУ Нано. 6 (7): 6122–6132. Дои:10.1021 / nn301312z. ISSN  1936-0851. PMID  22631222.
  7. ^ а б Муддана, Хари С .; Сенгупта, Самудра; Маллук, Томас Э .; Сен, Аюсман; Батлер, Питер Дж. (24 февраля 2010 г.). «Катализ субстрата усиливает диффузию одного фермента». Журнал Американского химического общества. 132 (7): 2110–2111. Дои:10.1021 / ja908773a. ISSN  0002-7863. ЧВК  2832858. PMID  20108965.
  8. ^ а б Сенгупта, Самудра; Дей, Кришна К .; Муддана, Хари С .; Табуйо, Тристан; Ибеле, Майкл Э .; Батлер, Питер Дж .; Сен, Аюсман (30 января 2013 г.). «Ферментные молекулы как наномоторы». Журнал Американского химического общества. 135 (4): 1406–1414. Дои:10.1021 / ja3091615. ISSN  0002-7863. PMID  23308365.
  9. ^ а б Дей, Кришна Канти; Дас, Самбита; Пойтон, Мэтью Ф .; Сенгупта, Самудра; Батлер, Питер Дж .; Cremer, Paul S .; Сен, Аюсман (23 декабря 2014 г.). «Хемотаксическое разделение ферментов». САУ Нано. 8 (12): 11941–11949. Дои:10.1021 / nn504418u. ISSN  1936-0851. PMID  25243599.
  10. ^ Павлик, Райан А .; Сенгупта, Самудра; Макфадден, Тимоти; Чжан, Хуа; Сен, Аюсман (26 сентября 2011 г.). «Двигатель с приводом от полимеризации». Angewandte Chemie International Edition. 50 (40): 9374–9377. Дои:10.1002 / anie.201103565. ISSN  1521-3773. PMID  21948434.
  11. ^ Хун, Иин; Блэкман, Николь М. К .; Копп, Натаниэль Д .; Сен, Аюсман; Велегол, Даррелл (26 октября 2007 г.). «Хемотаксис небиологических коллоидных стержней». Письма с физическими проверками. 99 (17): 178103. Bibcode:2007PhRvL..99q8103H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.99.178103. PMID  17995374.
  12. ^ а б Чатурведи, Ниту; Хун, Иин; Сен, Аюсман; Велегол, Даррелл (4 мая 2010 г.). "Магнитное усиление каталитических двигателей с фототаксированием". Langmuir. 26 (9): 6308–6313. Дои:10.1021 / la904133a. ISSN  0743-7463. PMID  20102166.
  13. ^ а б c d е Хун, Иин; Диас, Мисаил; Córdova-Figueroa, Ubaldo M .; Сен, Аюсман (25 мая 2010 г.). «Реверсивные микрофейерверки на основе диоксида титана и микромоторные / микронасосные системы». Современные функциональные материалы. 20 (10): 1568–1576. Дои:10.1002 / adfm.201000063. ISSN  1616-3028.
  14. ^ а б c d е Ибеле, Майкл Э .; Lammert, Paul E .; Креспи, Винсент Х .; Сен, Аюсман (24 августа, 2010 г.). «Эмерджентные коллективные колебания самодвижущихся частиц и узорчатых поверхностей в окислительно-восстановительных условиях». САУ Нано. 4 (8): 4845–4851. Дои:10.1021 / nn101289p. ISSN  1936-0851. PMID  20666369.
  15. ^ а б c d е ж Дуань, Вентао; Лю, Ран; Сен, Аюсман (30 января 2013 г.). «Переход между коллективным поведением микромоторов в ответ на различные стимулы». Журнал Американского химического общества. 135 (4): 1280–1283. Дои:10.1021 / ja3120357. ISSN  0002-7863. PMID  23301622.
  16. ^ а б c d е ж Альтемоза, Алисия; Санчес-Фарран, Мария А .; Дуань, Вентао; Шульц, Стив; Борхан, Али; Креспи, Винсент Х .; Сен, Аюсман (2017). «Химически контролируемые пространственно-временные колебания коллоидных ансамблей». Энгью. Chem. Int. Эд. 56 (27): 7817–7821. Дои:10.1002 / anie.201703239. PMID  28493638.
  17. ^ Чжао, Си; Палаччи, Анри; Ядав, Винита; Spiering, Michelle M .; Гилсон, Майкл К .; Батлер, Питер Дж .; Гесс, Генри; Бенкович, Стивен Дж .; Сен, Аюсман (18 декабря 2017 г.). «Субстрат-управляемая хемотаксическая сборка в ферментном каскаде». Химия природы. 10 (3): 311–317. Bibcode:2018НатЧ..10..311Z. Дои:10.1038 / nchem.2905. ISSN  1755-4330. PMID  29461522.
  18. ^ Болл, Филипп (11 декабря 2013 г.). «В центре внимания: явления кластеризации частиц вдохновляют на множество объяснений». Физика. 6. Дои:10.1103 / физика.6.134. Получено 22 сентября 2015.
  19. ^ Шнитцер, Марк Дж. (1 октября 1993 г.). «Теория случайных блужданий в континууме и приложение к хемотаксису». Физический обзор E. 48 (4): 2553–2568. Bibcode:1993ФРвЭ..48.2553С. Дои:10.1103 / PhysRevE.48.2553. PMID  9960890.
  20. ^ Кейтс, Майкл Э .; Тейлер, Жюльен (1 января 2015 г.). «Фазовое разделение, вызванное подвижностью». Ежегодный обзор физики конденсированного состояния. 6 (1): 219–244. arXiv:1406.3533. Bibcode:2015ARCMP ... 6..219C. Дои:10.1146 / annurev-conmatphys-031214-014710.
  21. ^ Поль, Оливер; Старк, Хольгер (10 июня 2014 г.). «Динамическая кластеризация и хемотаксический коллапс самофоретических активных частиц». Письма с физическими проверками. 112 (23): 238303. arXiv:1403.4063. Bibcode:2014ПхРвЛ.112в8303П. Дои:10.1103 / PhysRevLett.112.238303. PMID  24972234.
  22. ^ Матас-Наварро, Рикар; Голестанян, Рамин; Ливерпуль, Tanniemola B .; Филдинг, Сюзанна М. (18 сентября 2014 г.). «Гидродинамическое подавление фазового расслоения в активных суспензиях». Физический обзор E. 90 (3): 032304. arXiv:1210.5464. Bibcode:2014PhRvE..90c2304M. Дои:10.1103 / PhysRevE.90.032304. PMID  25314443.
  23. ^ Зёттль, Андреас; Старк, Хольгер (18 марта 2014 г.). «Гидродинамика определяет коллективное движение и фазовое поведение активных коллоидов в квазидвумерном ограничении». Письма с физическими проверками. 112 (11): 118101. arXiv:1309.4352. Bibcode:2014PhRvL.112k8101Z. Дои:10.1103 / PhysRevLett.112.118101. PMID  24702421.
  24. ^ Redner, Gabriel S .; Баскаран, Апарна; Хэган, Майкл Ф. (26 июля 2013 г.). «Поведение возвратной фазы в активных коллоидах с притяжением». Физический обзор E. 88 (1): 012305. arXiv:1303.3195. Bibcode:2013PhRvE..88a2305R. Дои:10.1103 / PhysRevE.88.012305. PMID  23944461.
  25. ^ Mognetti, B.M .; Шарич, А .; Angioletti-Uberti, S .; Cacciuto, A .; Валериани, Ц .; Френкель, Д. (11 декабря 2013 г.). «Живые кластеры и кристаллы из суспензий активных коллоидов низкой плотности». Письма с физическими проверками. 111 (24): 245702. arXiv:1311.4681. Bibcode:2013ПхРвЛ.111х5702М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.111.245702. PMID  24483677.
  26. ^ Санчес, Самуэль; Солер, Луис; Катури, Джайдип (26 января 2015 г.). «Микро- и наномоторы с химическим приводом». Angewandte Chemie International Edition. 54 (5): 1414–1444. Дои:10.1002 / anie.201406096. ISSN  1521-3773. PMID  25504117.
  27. ^ Сенгупта, Самудра; Ибеле, Майкл Э .; Сен, Аюсман (20 августа 2012 г.). «Фантастическое путешествие: создание автономных нанороботов». Angewandte Chemie International Edition. 51 (34): 8434–8445. Дои:10.1002 / anie.201202044. ISSN  1521-3773. PMID  22887874.
  28. ^ Дуань, Вентао; Ван, Вэй; Дас, Самбита; Ядав, Винита; Маллук, Томас Э .; Сен, Аюсман (1 января 2015 г.). «Синтетические нано- и микромашины в аналитической химии: зондирование, миграция, захват, доставка и разделение». Ежегодный обзор аналитической химии. 8 (1): 311–333. Bibcode:2015ARAC .... 8..311D. Дои:10.1146 / annurev-anchem-071114-040125. PMID  26132348.
  29. ^ Ван, Вэй; Дуань, Вентао; Ахмед, Сюзанна; Маллук, Томас Э .; Сен, Аюсман (1 октября 2013 г.). «Малая мощность: автономные нано- и микродвигатели, приводимые в движение самогенерируемыми градиентами». Нано сегодня. 8 (5): 531–554. Дои:10.1016 / j.nantod.2013.08.009.
  30. ^ Ядав, Винита; Дуань, Вентао; Батлер, Питер Дж .; Сен, Аюсман (1 января 2015 г.). «Анатомия наномасштабного движения». Ежегодный обзор биофизики. 44 (1): 77–100. Дои:10.1146 / annurev-biophys-060414-034216. PMID  26098511.
  31. ^ Ван, Вэй; Дуань, Вентао; Ахмед, Сюзанна; Сен, Аюсман; Маллук, Томас Э. (21 июля 2015 г.). «От одного ко многим: динамическая сборка и коллективное поведение самоходных коллоидных двигателей». Отчеты о химических исследованиях. 48 (7): 1938–1946. Дои:10.1021 / acs.accounts.5b00025. ISSN  0001-4842. PMID  26057233.
  32. ^ Дей, Кришна Канти; Вонг, Флори; Альтемоза, Алисия; Сен, Аюсман (1 февраля 2016 г.). "Каталитические моторы - Quo Vadimus?". Текущее мнение в науке о коллоидах и интерфейсах. 21: 4–13. Дои:10.1016 / j.cocis.2015.12.001.