Ecuaciones hidrodinámicas para partículas marrones activas en el régimen de alta persistencia

Área de la Ciencia:

• Física
• Física de Materia Blanda
• Mecánica Estadística

Sus antecedentes:

• Las partículas marrones activas (ABP) son sistemas modelo para entidades autopulsadas.
• En regímenes de alta persistencia, la polarización emerge como un campo dinámico clave.
• Los modelos existentes pueden no capturar completamente la dinámica compleja en estos regímenes.

Objetivo del estudio:

• Derivar ecuaciones macroscópicas para los campos de densidad y polarización de ABP en el régimen de alta persistencia.
• Investigar la conexión entre las ecuaciones derivadas y la separación de fases inducida por la motilidad (MIPS).
• Explorar la dinámica de agrupamiento y fenómenos emergentes como las ondas de densidad amortiguadas.

Principales métodos:

• Se utilizó una descripción cinética propuesta recientemente para ABP.
• Se derivaron ecuaciones similares a Navier-Stokes para la densidad y la polarización.
• Se empleó el método de Chapman-Enskog para determinar los coeficientes de transporte a partir de la dinámica microscópica.
• Se realizó un análisis de estabilidad lineal y simulaciones numéricas en una dimensión espacial.

Principales resultados:

• Ecuaciones derivadas con éxito que capturan la dinámica de densidad y polarización.
• Se confirmó que las ecuaciones describen la inestabilidad de la densidad que conduce a MIPS.
• Las soluciones numéricas revelaron agrupamiento, interfaces polarizadas, refinamiento de dominios y acumulación de partículas bajo la gravedad.
• Se identificaron modos de onda de densidad amortiguada que surgen del acoplamiento de polarización, verificados por simulaciones.
• Se encontró la necesidad de un término de presión regularizador para manejar altas densidades.

Conclusiones:

• Las ecuaciones similares a Navier-Stokes derivadas proporcionan un marco robusto para estudiar ABP en el régimen de alta persistencia.
• El modelo predice con precisión MIPS y comportamientos de agrupamiento complejos.
• El acoplamiento entre los campos de densidad y polarización conduce a modos dinámicos novedosos, como las ondas de densidad amortiguadas.