Active particles may enhance phase separation

Systems containing self-propelling particles are always out of thermal equilibrium but may show interesting transitions between different states, reminiscent of phase transitions in equilibrium. However, application of analytical and computational methodologies from equilibrium statistical mechanics is questionable to study properties of such active systems. An international team of scientists from the Johannes Gutenberg university (P. Virnau, K. Binder), the graduate school MAINZ (B. Trefz) and researchers from India and the US has studied the phase separation of a mixture of active and passive particles via molecular dynamics simulations and integral equation theoretical calculations. The distinctive feature of the applied model is that the "activity" of the particles is tunable, containing passive particles as a limiting case for which already phase separation occurs. It is shown that the introduction of activity may not only hamper phase separation as shown previously, but can enhance it as well, based on the coordination among the active particles. An approximate mapping of the phase behavior and structural properties of this nonequilibrium problem onto an equilibrium problem is provided. A general validity of this mapping, of course, is subject to further careful testing, the confirmation of such validity would be an important step forward in understanding properties of active matter.

Fig1.: Snapshots from a molecular dynamics simulation with 547 colloids and 1781 polymers in an elongated simulation box. The upper image shows an equilibrium configuration of the passive system  which did not phase-separate. The lower image is the corresponding active system (at the same state point) in its steady state which is clearly phase-separated. In both pictures, colloids are shown in yellow and polymers in black.

This work was published in Physical Review Letters 112, 198301 (2014).

 

 


Aktive Teilchen können Phasenübergang beschleunigen

Ein System bestehend aus Teilchen mit eigenem Antrieb (wie z.B. Bakterien oder künstlich erzeugten kolloidalen Teilchen) befindet sich niemals im thermischen Gleichgewicht. Dennoch können solche Systeme, ähnlich wie Systeme im Gleichgewicht, interessante Phasen und Phasenübergänge aufweisen. Einem internationalem Team der Johannes Gutenberg-Universität (P.Virnau, K. Binder), der Graduiertenschule MAINZ (B. Trefz) und Forschern aus Indien und den USA ist es gelungen mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen und Integralgleichungstheorie den Phasenübergang einer Mischung aus diesen aktiven, selbst angetrieben Teilchen und passiven Teilchen zu beschreiben. Das Modellsystem wurde dabei so gewählt, dass die „Aktivität“ mittels Parameter gesteuert werden kann und selbst im Grenzfall ohne aktive Teilchen, also einem reinen passiven System, der Phasenübergang erhalten bleibt. Unsere Untersuchungen belegen, dass die von uns eingeführte Aktivität den Phasenübergang vereinfachen kann, im Gegensatz zu vorherigen Untersuchungen die feststellten, dass aktive Teilchen den Phasenübergang erschweren. Des Weiteren konnte durch Verwendung der Integralgleichungstheorie das Phasenverhalten des aktiven auf ein passives System abgebildet werden. Ob diese Abbildungsmethode allgemeine Gültigkeit besitzt, müssen weitere Studien belegen. Diese Arbeit erschien in Physical Review Letters 112, 198301 (2014).

Fig1.: Momentaufnahmen einer Molekulardynamik-Simulation mit 547 Kolloiden und 1781 Polymeren. Das obere Bild zeigt eine Gleichgewichtskonfiguration des passiven Systems welches bei dieser Dichte keine getrennten Phasen ausbildet. Das untere Bild ist das entsprechende aktive System das eindeutig zwei getrennte Phasen aufweist. In beiden Bildern sind die Kolloide in gelb und die Polymere in schwarz dargestellt.