不均質なランドスケープの中を磁気的に駆動されるコロイド単分子膜のダイナミクスと目詰まり

Dynamics and clogging of colloidal monolayers magnetically driven through a heterogeneous landscape.

• Sergi Granados Leyva
• Ralph Lukas Stoop
• Pietro Tierno
• Ignacio Pagonabarraga

抄録

実験と数値シミュレーションを組み合わせて、より大きな障害物の無秩序なランドスケープに対して駆動される常磁性コロイド粒子の相互作用系における目詰まりの発生を調べる。我々は、基板に不可逆的に付着している不動性シリカ粒子のランドスケープの中の単一の開口部を考える。我々は、外部回転磁場を用いて、一定かつ周波数調整可能な速度でこれらの障害物に対して磁性粒子を駆動する進行波動ポテンシャルを生成する。実験的には、粒子は高周波数で力価則分布を持つ断続的なダイナミクスを示すことがわかった。これらの結果を数値シミュレーションで再現し、我々のシステムでは、粒子が移動する風景と非同期になると、大きな周波数で目詰まりが発生することを示す。さらに、このモデルを用いて、障害物の変位における柔軟性の隠れた役割と粒子間の流体力学的相互作用の効果を探る。また、直線的な壁の状況を数値的に検討し、そのような場合に目詰まりが発生するパラメータの範囲を調査した。本研究では、駆動されるミクロスケールの物質における目詰まりの影響を調べるためのソフトマターのテストベッドシステムを提供する。

We combine experiments and numerical simulations to investigate the emergence of clogging in a system of interacting paramagnetic colloidal particles driven against a disordered landscape of larger obstacles. We consider a single aperture in a landscape of immobile silica particles which are irreversibly attached to the substrate. We use an external rotating magnetic field to generate a traveling wave potential which drives the magnetic particles against these obstacles at a constant and frequency tunable speed. Experimentally we find that the particles display an intermittent dynamics with power law distributions at high frequencies. We reproduce these results by using numerical simulations and show that clogging in our system arises at large frequency, when the particles desynchronize with the moving landscape. Further, we use the model to explore the hidden role of flexibility in the obstacle displacements and the effect of hydrodynamic interactions between the particles. We also consider numerically the situation of a straight wall and investigate the range of parameters where clogging emerges in such case. Our work provides a soft matter test-bed system to investigate the effect of clogging in driven microscale matter.