DOI: https://doi.org/10.1063/5.0304795
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41568807
تاريخ النشر: 2026-01-22
المؤلف: Daniel Jiménez-Flores وآخرون
الموضوع الرئيسي: الروبوتات الدقيقة والنانوية
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة ظاهرة الفصل الطوري الناتج عن الحركة (MIPS) في خليط ثنائي الأبعاد من الجسيمات البراونية النشطة الناعمة من خلال محاكاة الديناميات البراونية. يتم نمذجة التفاعلات بين الجسيمات باستخدام إمكانيات ويكس-تشاندلر-أندرسون غير المضافة، مستلهمة من إمكانيات ليرارد-جونز التي تُطبق عادةً على الخلائط السلبية. تكشف النتائج أن الحالة المتزامنة ذات الكثافة العالية في الخليط الثنائي غير مرتبة مكانيًا، مما يتناقض مع الحالة الشبيهة بالصلب التي لوحظت في الأنظمة أحادية المكون. تدعم التحليلات الهيكلية، بما في ذلك دوال التوزيع الشعاعي ومعلمات النظام السداسي، هذا الاستنتاج. بالإضافة إلى ذلك، تظهر كل من الحالات ذات الكثافة المنخفضة والعالية سلوكًا انتشاريًا على مدى فترات طويلة، مما يشير إلى طبيعتها الشبيهة بالسائل في الحالة الثنائية. ومن المثير للاهتمام، أن النظام أحادي المكون يظهر أيضًا انتشارًا في حالته الشبيهة بالصلب ذات الكثافة العالية، ويعزى ذلك إلى العيوب الطوبولوجية النشطة مثل الانزياحات.
تختتم الورقة بتسليط الضوء على عدة أسئلة مفتوحة للبحث المستقبلي، لا سيما فيما يتعلق بانتقال الحالات ذات الكثافة العالية من النظام إلى الفوضى مع انخفاض الكسر المولي لنوع واحد من الجسيمات. تشير النتائج الأولية إلى أن إدخال الشوائب يؤدي إلى نواة من الانزياحات ذات الخمسة أضعاف، مما يعطل النظام السداسي. يهدف المؤلفون إلى استكشاف نشاط العيوب الطوبولوجية في الحالات الشبيهة بالصلب وتأثيرها على قابلية انتشار الجسيمات، مع التأكيد على الحاجة إلى فهم أعمق لهذه الديناميات في الأنظمة النشطة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية المجال المتنامي للمادة النشطة، والتي تشمل أنظمة من الوكلاء ذاتية الدفع التي تكون بطبيعتها خارج التوازن. هذه الأنظمة شائعة في كل من الظواهر الطبيعية – مثل الأنسجة البيولوجية، أسراب الطيور، وحشود المشاة – والمكونات الاصطناعية مثل الجسيمات جانوس والروبوتات الصغيرة. تطورت الأطر النظرية لفهم المادة النشطة، مع نماذج رئيسية تشمل نموذج الجسيمات البراونية النشطة (ABP)، نموذج الجسيمات المتدحرجة (RTP)، ونموذج الجسيمات النشطة من نوع أورنشتاين-أوهلنبيك (AOUP). توضح هذه النماذج كيف تظهر الجسيمات الدفع الذاتي مع آليات مختلفة لتغيير الاتجاه، وتبرز أهمية التفاعلات بين الجسيمات في تشكيل السلوكيات الجماعية.
تعتبر ظاهرة ملحوظة في المادة النشطة القياسية هي الفصل الطوري الناتج عن الحركة (MIPS)، حيث تتواجد حالتان كثافتيتان متميزتان دون الحاجة إلى قوى جاذبة، على عكس الانتقالات التقليدية من البخار إلى السائل. ينشأ MIPS من التفاعل بين تراكم الجسيمات في المناطق ذات الحركة البطيئة والتباطؤ الناتج عن الكثافة بسبب الاصطدامات. بدأت الدراسات الحديثة في استكشاف تأثيرات التوزيع المتعدد على MIPS، كاشفة عن تحولات في منحنيات التعايش وسلوكيات الفصل. تهدف هذه الورقة إلى التحقيق في خليط ثنائي من ABPs مع تفاعلات شبيهة بويكس-تشاندلر-أندرسون، باستخدام معلمات إمكانيات ليرارد-جونز لتقييم التأثير على الترتيب المكاني في الأطوار ذات الكثافة العالية ولتمييز بين الحالات الشبيهة بالسائل والشبيهة بالزجاج. ستفصل الأقسام التالية منهجية المحاكاة، وتقدم نتائج حول الخصائص الهيكلية والديناميكية، وتختتم برؤى من النتائج.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون منهجيتهم للتحقيق في السلوك الجماعي لخلائط الجسيمات البراونية النشطة الناعمة (ABPs) باستخدام محاكيات الديناميات البراونية العددية. تركز الدراسة على كل من الأنظمة أحادية المكون والثنائية تحت ظروف مواتية للفصل الطوري في البيئات ثنائية الأبعاد. تم إجراء المحاكيات باستخدام حزمة LAMMPS، مع خطوة زمنية مخفضة قدرها $\Delta t = 10^{-6}$، وشملت سلسلة من الجولات في صناديق غير متساوية الأبعاد $L_x \times L_y = 240 \times 40$ تحت شروط حدود دورية. تم الحفاظ على كثافة الجسيمات الثابتة $\rho$، وتم اختبار كسر مول مختلف للنوع 1 ($X_1$)، بما في ذلك الخلائط النقية والثنائية.
كانت المحاكيات تهدف إلى تحديد حدوث الفصل الطوري الناتج عن الحركة (MIPS) من خلال مراقبة كثافة وملفات الكسر المولي على طول المحور السيني. شكل منحني في هذه الملفات أشار إلى MIPS، خاصة عند أرقام بيكلي العالية ($Pe$). قام المؤلفون بتقليل $Pe$ تدريجيًا لاستكشاف استقرار الحالات المتزامنة، مشيرين إلى أن التعرف الواضح على هذه الحالات كان ممكنًا حتى $Pe \approx 80$، مع مساعدة دوال توزيع الكثافة الاحتمالية المحلية في تمييز MIPS حتى $Pe \approx 60$. لتحليل الخصائص الهيكلية والديناميكية للحالات الثابتة المتزامنة بشكل أكبر، تم إجراء محاكيات إضافية في صناديق أصغر ($L_x \times L_y = 80 \times 80$) لتقليل تأثير التقلبات السطحية. تم مراقبة مقاييس رئيسية مثل دوال التوزيع الشعاعي ومعامل النظام السداسي، إلى جانب الإزاحة المتوسطة المربعة (MSD) لتقييم ديناميات الحالات الثابتة.
مناقشة
في هذه الدراسة، نستكشف ظاهرة الفصل الطوري الناتج عن الحركة (MIPS) في خليط ثنائي من الجسيمات البراونية النشطة الناعمة، والتي تتميز بإمكانات تفاعل متميزة بينما تشترك في خصائص ديناميكية متطابقة. يتم نمذجة النظام باستخدام معادلات لانجفين المفرطة، حيث تتأثر ديناميات كل جسيم بالدفع الذاتي وإمكانات التفاعل، وبشكل خاص إمكانيات ويكس-تشاندلر-أندرسون (WCA). تكشف نتائجنا أن الحالات المتزامنة ذات الكثافة العالية في الخليط الثنائي تظهر ترتيبًا مكانيًا غير منظم، مما يتناقض مع الترتيب الشبيه بالصلب الذي لوحظ في النظام أحادي المكون. تدعم التحليلات لدوال التوزيع الشعاعي ومعلمات النظام السداسي هذا الاضطراب المكاني، مما يشير إلى أن حتى التوزيع المتعدد البسيط يعطل النظام البلوري.
توضح تحليل الإزاحة المتوسطة المربعة (MSD) الخصائص الديناميكية للنظام بشكل أكبر. تظهر كل من الحالات ذات الكثافة المنخفضة والعالية سلوكًا انتشاريًا، مما يشير إلى خصائص شبيهة بالسوائل في الخليط الثنائي. ومن المثير للاهتمام، أن النظام أحادي المكون يظهر أيضًا انتشارًا في الحالات ذات الكثافة العالية، ويعزى ذلك إلى وجود عيوب طوبولوجية نشطة، مثل الانزياحات، التي تسهل حركة الجسيمات. تشير النتائج إلى أن رقم بيكلي الحرج لـ MIPS يتراوح تقريبًا بين 60 و70، حيث تتأثر كثافات الحالات المتزامنة بالكسر المولي للمكونات. ستركز الأعمال المستقبلية على فهم الانتقال إلى الفوضى مع انخفاض الكسر المولي ودور العيوب الطوبولوجية في قابلية انتشار الجسيمات داخل الحالات الشبيهة بالصلب.
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0304795
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41568807
Publication Date: 2026-01-22
Author(s): Daniel Jiménez-Flores et al.
Primary Topic: Micro and Nano Robotics
Overview
This study investigates the phenomenon of mobility-induced phase separation (MIPS) in a two-dimensional binary mixture of active soft Brownian particles through Brownian dynamics simulations. The interactions among particles are modeled using non-additive Weeks-Chandler-Andersen potentials, drawing inspiration from Lennard-Jones potentials typically applied to passive mixtures. The findings reveal that the high-density coexisting state in the binary mixture is spatially disordered, contrasting with the solid-like state observed in monocomponent systems. Structural analyses, including radial distribution functions and hexatic order parameters, support this conclusion. Additionally, both low- and high-density states exhibit diffusive behavior over long times, indicating their liquid-like nature in the binary case. Interestingly, the monocomponent system also displays diffusion in its high-density solid-like state, attributed to active topological defects such as dislocations.
The paper concludes by highlighting several open questions for future research, particularly regarding the transition of high-density states from order to disorder as the mole fraction of one particle type decreases. Preliminary results suggest that the introduction of impurities leads to the nucleation of 5-fold disclinations, which disrupt hexatic ordering. The authors aim to further explore the activity of topological defects in solid-like states and their influence on particle diffusivity, emphasizing the need for a deeper understanding of these dynamics in active systems.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the burgeoning field of active matter, which encompasses systems of self-propelled agents that are inherently out of equilibrium. These systems are prevalent in both natural phenomena—such as biological tissues, bird flocks, and pedestrian crowds—and synthetic constructs like Janus particles and small robots. Theoretical frameworks for understanding active matter have evolved, with key models including the Active Brownian Particle (ABP), Run-and-Tumble Particle (RTP), and Active Ornstein-Uhlenbeck Particle (AOUP) models. These models illustrate how particles exhibit self-propulsion with varying mechanisms of orientation change, and they highlight the significance of inter-particle interactions in shaping collective behaviors.
A notable phenomenon in scalar active matter is motility-induced phase separation (MIPS), where two distinct density states coexist without the need for attractive forces, unlike traditional vapor-liquid transitions. MIPS arises from the interplay between particle accumulation in slower-moving regions and density-induced slowdowns due to collisions. Recent studies have begun to explore the effects of polydispersity on MIPS, revealing shifts in coexistence curves and segregation behaviors. This paper aims to investigate a binary mixture of ABPs with Weeks-Chandler-Andersen-like interactions, utilizing Lennard-Jones potential parameters to assess the impact on spatial ordering in high-density phases and to differentiate between liquid-like and glassy-like states. The subsequent sections will detail the simulation methodology, present results on structural and dynamical properties, and conclude with insights from the findings.
Methods
In this section, the authors describe their methodology for investigating the collective behavior of mixtures of soft active Brownian particles (ABPs) using numerical Brownian dynamics simulations. The study focuses on both monocomponent and binary systems under conditions conducive to phase separation in two-dimensional environments. The simulations were conducted using the LAMMPS package, with a reduced time step of $\Delta t = 10^{-6}$, and involved a series of runs in anisotropic boxes of dimensions $L_x \times L_y = 240 \times 40$ under periodic boundary conditions. The overall constant particle density $\rho$ was maintained, and various mole fractions for species 1 ($X_1$) were tested, including pure and binary mixtures.
The simulations aimed to identify the occurrence of motility-induced phase separation (MIPS) by monitoring density and mole fraction profiles along the x-axis. A sigmoidal shape in these profiles indicated MIPS, particularly at higher Péclet numbers ($Pe$). The authors gradually reduced $Pe$ to explore the stability of coexisting states, observing that clear identification of these states was possible down to $Pe \approx 80$, with local density probability distribution functions aiding in characterizing MIPS down to $Pe \approx 60$. To further analyze the structural and dynamical properties of the coexisting stationary states, additional simulations were performed in smaller boxes ($L_x \times L_y = 80 \times 80$) to minimize the influence of interfacial fluctuations. Key metrics such as radial distribution functions and the hexatic order parameter were monitored, alongside the mean-square displacement (MSD) to assess the dynamics of the stationary states.
Discussion
In this study, we investigate the phenomenon of motility-induced phase separation (MIPS) in a binary mixture of active soft Brownian particles, characterized by distinct interaction potentials while sharing identical dynamical properties. The system is modeled using overdamped Langevin equations, where the dynamics of each particle is influenced by self-propulsion and interaction potentials, specifically the Weeks-Chandler-Andersen (WCA) potential. Our findings reveal that the high-density coexisting states in the binary mixture exhibit a disordered spatial arrangement, contrasting with the solid-like ordering observed in the monocomponent system. This spatial disorder is supported by analyses of radial distribution functions and hexatic order parameters, indicating that even minor size polydispersity disrupts crystalline order.
The analysis of mean-square displacement (MSD) further elucidates the dynamical properties of the system. Both low- and high-density states display diffusive behavior, suggesting fluid-like characteristics in the binary mixture. Interestingly, the monocomponent system also shows diffusion in high-density states, attributed to the presence of active topological defects, such as dislocations, which facilitate particle mobility. The results indicate that the critical Péclet number for MIPS is approximately between 60 and 70, with the densities of coexisting states being influenced by the mole fraction of the components. Future work will focus on understanding the transition to disorder as the mole fraction decreases and the role of topological defects in particle diffusivity within solid-like states.