Klustring av självgående partiklar

Många experimentella realiseringar av självgående partiklar uppvisar en stark tendens att aggregera och bilda kluster, vars dynamik är mycket rikare än passiva kolloiders. Dessa aggregat av partiklar bildas av en mängd olika anledningar, från kemiska gradienter till magnetiska och ultraljudsfält. Självgående enzymmotorer och syntetiska nanomotorer uppvisar också klustringseffekter i form av kemotaxi. Kemotaxi är en form av kollektiv rörelse av biologiska eller icke-biologiska partiklar mot en bränslekälla eller bort från ett hot, som observerats experimentellt i enzymdiffusion och även syntetisk kemotaxi eller fototaxi. Förutom irreversibel skolning, självgående partiklar också reversibel kollektiv rörelse, såsom beteende av rovdjur och bytesdjur och oscillerande kluster och spridning.

Fenomenologi

Detta klustringsbeteende har observerats för självgående Janus-partiklar , antingen platinabelagda guldpartiklar eller kolbelagda kiseldioxidpärlor, och för magnetiskt eller ultraljudsdrivna partiklar. Klustring har också observerats för kolloidala partiklar som består av antingen en inbäddad hematitkub eller långsamt spridande metalljoner. Autonom aggregation har också observerats i anatas TiO ₂ (titandioxid) partiklar. Klustring förekommer också i enzymmolekyldiffusion. Nyligen har enzymer såsom hexokinas och alkaliskt fosfatas funnits aggregera i närvaro av deras substrat. I alla dessa experiment sker partiklarnas rörelse på en tvådimensionell yta och klustring ses för areafraktioner så låga som 10 %. För sådana lågarea fraktioner har klustren en ändlig medelstorlek medan vid större area fraktioner (30 % eller högre) har en fullständig fasseparation rapporterats. Dynamiken i klustren med ändlig storlek är mycket rik, uppvisar antingen kristallin ordning eller amorf packning. Den ändliga storleken på klustren kommer från en balans mellan bindning av nya partiklar till redan existerande kluster och nedbrytning av stora kluster till mindre, vilket har lett till termen "levande kluster".

Mekanism för syntetiska system

Den exakta mekanismen som leder till uppkomsten av kluster är inte helt klarlagd och är ett aktuellt forskningsområde för många system. Några olika mekanismer har föreslagits, som kan vara på gång i olika experimentella uppställningar.

Självgående partiklar kan ackumuleras i ett område av rymden där de rör sig med en minskad hastighet. Efter ackumulering, i områden med hög partikeldensitet, rör sig partiklarna långsammare på grund av steriskt hinder. En återkoppling mellan dessa två mekanismer kan leda till den så kallade motilitetsinducerade fasseparationen. Denna fasseparation kan emellertid stoppas av kemiskt förmedlade vridmoment mellan partiklar eller hydrodynamiska interaktioner, vilket skulle kunna förklara bildandet av kluster av ändlig storlek.

Alternativt kan klustring och fasseparation bero på närvaron av interpartikel-attraktionskrafter, som i jämviktssuspensioner. Aktiva krafter skulle då motverka denna fasseparation genom att dra isär partiklarna i klustret, efter två huvudprocesser. För det första kan enskilda partiklar existera oberoende om deras framdrivningskrafter är tillräckliga för att fly från klustret. För det andra kan ett stort kluster gå sönder i mindre bitar på grund av uppbyggnaden av inre stress: när fler och fler partiklar kommer in i klustret, adderas deras framdrivningskrafter tills de bryter ned dess sammanhållning.

Diffusiofores är också en ofta citerad mekanism för klustring och kollektivt beteende, som involverar attraktion eller avstötning av partiklar till varandra som svar på jongradienter. Diffusiofores är en process som involverar gradienter av elektrolyt- eller icke-elektrolytkoncentrationer som interagerar med laddade (elektroforetiska interaktioner) eller neutrala (kemoforetiska interaktioner) partiklar i lösning och med det dubbla lagret av alla väggar eller ytor (elektrosmotiska interaktioner).

I experiment har argument framförts till förmån för någon av ovanstående mekanismer. För kolbelagda kiseldioxidpärlor är attraktiva interaktioner till synes försumbara och fasseparation ses verkligen vid stora densiteter. För andra experimentella system spelar dock attraktiva krafter ofta en större roll.

Se även

• Aktiv Brownsk partikel