Klastrowanie cząstek samobieżnych

Wiele eksperymentalnych realizacji cząstek samobieżnych wykazuje silną tendencję do agregacji i tworzenia klastrów, których dynamika jest znacznie bogatsza niż koloidów pasywnych. Te agregaty cząstek tworzą się z różnych powodów, od gradientów chemicznych po pola magnetyczne i ultradźwiękowe. Samobieżne silniki enzymatyczne i syntetyczne nanomotory również wykazują efekty grupowania w postaci chemotaksji. Chemotaksja jest formą zbiorowego ruchu cząstek biologicznych lub niebiologicznych w kierunku źródła paliwa lub z dala od zagrożenia, co zaobserwowano eksperymentalnie w dyfuzji enzymów, a także syntetycznej chemotaksji lub fototaksji. Oprócz nieodwracalnego uczenia się, cząstki samobieżne wykazują również odwracalny ruch zbiorowy, taki jak zachowanie drapieżnik-ofiara oraz oscylacyjne grupowanie i rozpraszanie.

Fenomenologia

To zachowanie skupienia zaobserwowano w przypadku samobieżnych cząstek Janusa , cząstek złota pokrytych platyną lub kulek krzemionki pokrytych węglem, a także cząstek napędzanych magnetycznie lub ultradźwiękowo. Grupowanie zaobserwowano również w przypadku cząstek koloidalnych składających się albo z osadzonego sześcianu hematytu, albo z wolno dyfundujących jonów metali. Autonomiczną agregację zaobserwowano również w cząstkach anatazu TiO2 ₍ dwutlenku tytanu). Klastrowanie występuje również w dyfuzji cząsteczek enzymu. Niedawno stwierdzono, że enzymy, takie jak heksokinaza i fosfataza alkaliczna, agregują w obecności swoich substratów. We wszystkich tych eksperymentach ruch cząstek odbywa się na dwuwymiarowej powierzchni, a grupowanie jest widoczne już dla ułamków powierzchni wynoszących zaledwie 10%. W przypadku frakcji o tak małej powierzchni klastry mają skończoną średnią wielkość, podczas gdy przy frakcjach o większej powierzchni (30% lub więcej) odnotowano całkowite rozdzielenie faz. Dynamika klastrów o skończonych rozmiarach jest bardzo bogata, wykazując porządek krystaliczny lub upakowanie amorficzne. Skończony rozmiar klastrów wynika z równowagi między przyłączaniem nowych cząstek do wcześniej istniejących klastrów a rozpadem dużych klastrów na mniejsze, co doprowadziło do określenia „żywych klastrów”.

Mechanizm dla układów syntetycznych

Dokładny mechanizm prowadzący do powstawania klastrów nie jest do końca wyjaśniony i jest aktualnym polem badań dla wielu systemów. Zaproponowano kilka różnych mechanizmów, które mogą odgrywać rolę w różnych konfiguracjach eksperymentalnych.

Samonapędzające się cząstki mogą gromadzić się w obszarze przestrzeni, w którym poruszają się ze zmniejszoną prędkością. Po akumulacji, w obszarach o dużej gęstości cząstek, cząstki poruszają się wolniej z powodu zawady sterycznej. Sprzężenie zwrotne między tymi dwoma mechanizmami może prowadzić do tak zwanego rozdzielenia faz wywołanego ruchliwością. Ta separacja faz może jednak zostać zatrzymana przez chemiczne momenty międzycząsteczkowe lub interakcje hydrodynamiczne, co może wyjaśniać tworzenie się klastrów o skończonych rozmiarach.

Alternatywnie, grupowanie i rozdzielanie faz może być spowodowane obecnością sił przyciągania między cząstkami, jak w zawiesinach równowagowych. Siły czynne przeciwstawiłyby się wówczas temu rozdzieleniu faz, rozrywając cząstki w gromadzie, zgodnie z dwoma głównymi procesami. Po pierwsze, pojedyncze cząstki mogą istnieć niezależnie, jeśli ich siły napędowe są wystarczające, aby uciec z gromady. Po drugie, duża gromada może rozpaść się na mniejsze części z powodu narastania naprężeń wewnętrznych: gdy coraz więcej cząstek wchodzi do gromady, ich siły napędowe sumują się, aż rozbijają jej spójność.

Dyfuzoforeza jest również często cytowanym mechanizmem grupowania i zachowań zbiorowych, obejmującym przyciąganie lub odpychanie cząstek względem siebie w odpowiedzi na gradienty jonów. Dyfuzoforeza to proces polegający na oddziaływaniu gradientów stężeń elektrolitów lub nieelektrolitów z naładowanymi (oddziaływania elektroforetyczne) lub neutralnymi (oddziaływania chemoforetyczne) cząstkami w roztworze oraz z podwójną warstwą dowolnych ścian lub powierzchni (oddziaływania elektroosmotyczne).

W eksperymentach wysunięto argumenty na rzecz któregokolwiek z powyższych mechanizmów. W przypadku perełek krzemionki powlekanych węglem atrakcyjne interakcje są pozornie nieistotne, a separacja faz jest rzeczywiście widoczna przy dużych gęstościach. Jednak w przypadku innych systemów eksperymentalnych siły przyciągania często odgrywają większą rolę.

Zobacz też

• Aktywna cząstka Browna