自己推進粒子のクラスタリング

自走粒子 の実験的実現の多くは、凝集してクラスターを形成する強い傾向を示しており^{[1] [2] [3] [4] [5]}、そのダイナミクスは受動コロイドのダイナミクスよりもはるかに豊かです。これらの粒子の凝集体は、化学勾配から磁場や超音波場まで、さまざまな理由で形成されます。^[6]自走酵素モーターと合成ナノモーターも、化学走性の形でクラスター化効果を示します。化学走性は、生物学的または非生物学的粒子が燃料源に向かったり脅威から遠ざかったりする集団運動の一種であり、実験的には酵素拡散^{[7] [8] [9]}や合成化学走性^{[10] [11] [12] または光走性 [12 ]}で観察されています。不可逆的な群れに加えて、自走粒子は、捕食者と被食者の行動や振動的なクラスター化と分散などの可逆的な集団運動も示します。^{[13] [14] [15] [16] [17]}

このクラスタリング挙動は、プラチナコーティングされた金粒子^[1]またはカーボンコーティングされたシリカビーズ^{[2]のいずれかの自己推進型}ヤヌス粒子、および磁気または超音波で駆動される粒子^{[5] [6]}で観察されています。 クラスタリングは、埋め込まれたヘマタイトキューブ^[3]またはゆっくり拡散する金属イオンのいずれかで構成されるコロイド粒子でも観察されています。^{[4] [13] [14] [15] [16]}自律凝集は、アナターゼTiO ₂（二酸化チタン）粒子でも観察されています。^[18]クラスタリングは、酵素分子の拡散でも発生します。^{[7] [8] [9] [19]最近、}ヘキソキナーゼやアルカリホスファターゼなどの酵素が、基質の存在下で凝集することがわかりました。^[20]これらのすべての実験では、粒子の動きは2次元表面上で発生し、面積率が10%ほどでもクラスタリングが見られます。このような低い面積率では、クラスターの平均サイズは有限である^[1]一方、面積率が大きい場合 (30% 以上) は、完全な相分離が報告されている。^[2]有限サイズのクラスターのダイナミクスは非常に豊かで、結晶秩序または非晶質パッキングのいずれかを示す。クラスターの有限サイズは、既存のクラスターへの新しい粒子の付着と、大きなクラスターの小さなクラスターへの分解との間のバランスから生じ、これが「リビングクラスター」という用語につながった。^{[3] [4] [13] [14] [15] [16]}

クラスターの出現につながる正確なメカニズムは完全には解明されておらず、多くのシステムで現在研究されている分野です。^[21]いくつかの異なるメカニズムが提案されており、異なる実験設定で作用する可能性があります。

自己推進粒子は、速度が低下した空間領域に蓄積することがあります。^[22]蓄積後、粒子密度の高い領域では、立体障害のために粒子の移動速度が遅くなります。これら2つのメカニズム間のフィードバックにより、いわゆる運動誘起相分離が発生する可能性があります。^[23]ただし、この相分離は、化学的に媒介された粒子間トルク^[24]または流体力学的相互作用^{[25] [26]}によって停止される可能性があり、これが有限サイズのクラスターの形成を説明できます。

あるいは、クラスター化と相分離は、平衡懸濁液の場合のように、粒子間の引力の存在によるものである可能性があります。アクティブな力は、クラスター内の粒子を引き離すことによってこの相分離に対抗し、^{[27] [28]} 2つの主なプロセスに従います。まず、推進力がクラスターから脱出するのに十分である場合、単一の粒子は独立して存在できます。次に、大きなクラスターは、内部応力の蓄積により小さな断片に分解される可能性があります。クラスターに入る粒子が増えるにつれて、その推進力が加算され、凝集力が破壊されます。

拡散泳動は、イオン勾配に応じて粒子が互いに引き付けたり反発したりする、クラスター形成や集団行動のメカニズムとしてよく引用される。^{[4] [13] [14] [15] [16]} 拡散泳動は、電解質または非電解質の濃度勾配が溶液中の荷電粒子（電気泳動相互作用）または中性粒子（化学泳動相互作用）と相互作用し、壁や表面の二重層（電気浸透相互作用）と相互作用するプロセスである。^{[15] [16]}

実験では、上記のメカニズムのいずれかを支持する議論が展開されている。炭素被覆シリカビーズの場合、引力相互作用は無視できる程度であり、高密度では相分離が実際に見られる。^[2]しかし、他の実験システムでは、引力がより大きな役割を果たすことが多い。^{[1] [3] [15] [16]}

• アクティブブラウン運動粒子 - 散逸環境における自己推進運動のモデル
• 自走粒子 – 自律エージェントのタイプ