Diagrama de fases do Modelo de Szabó-Henkes confinado

Abstract

O ramo da matéria ativa é um área da Física que trata do estudo de sistemas de partículas ativas, agentes capazes de retirar energia do meio e transformar em movimento persistente em uma direção. Nos últimos anos, uma série de modelos teóricos e computacionais em matéria ativa têm sido bem sucedidos na explicação de diversos fenômenos macroscópicos de dinâmica de movimentos coletivos como bandos de pássaros, cardumes de peixes, rebanhos, ou ainda em sistemas microscópicos como difusão de células, aglomerados de células e movimentos em tecidos celulares. Dentre esses há vários processos regidos pelo movimento de células, tais como, morfogênese, embriogênese, segregação celular e regeneração de organismos eucariotos. O estudo de diferentes tipos de interações e mecanismos de atividade, em sistemas de matéria ativa, se tornam cada vez mais importantes para a aplicação nesses diversos contextos. Esse trabalho busca estudar como interações de adesão e autoalinhamento de velocidades interferem nas fases do sistema de partículas ativas. O estudo foi feito por meio de simulações computacionais de dinâmica molecular onde, utilizando-se parâmetros de controle típicos de matéria ativa, foi possível estudar os diferentes estados do sistema. Os estados foram classificados a partir de medidas de difusão e parâmetros de ordem consistentes e em acordo com as condições de contorno do sistema: confinado e em alta densidade. Os resultados apontam que as fases organizacionais do sistema são fortemente dependentes da relação entre atividade, adesão e coletividade. Nos regimes estudados, a atividade e adesão determinaram papéis opostos no nível de fluidez do sistema, como esperado de acordo com a literatura (REDNER; BASKARAN; HAGAN, 2013). Em contrapartida, o grau de alinhamento apresentou comportamento não monotônico: podendo aumentar ou diminuir o nível de troca de vizinhos no sistema de acordo com a região de parâmetros em questão. O comportamento coletivo como um todo mostrou correlação positiva com atividade e adesão, como é esperado pelo modelo((HENKES; FILY; MARCHETTI, 2011; SZABO et al., 2006; BEATRICI; ALMEIDA; BRUNNET, 2017)); analisando os regimes específicos de coletividade:polarizado e rotacional, foi possível perceber a relação com os estados organizacionais, onde regimes de coletividade rotacional se concentraram nas regiões de maior fluidez, enquanto os polarizados apareceram em ambos os estados estruturais(fluido e tipo-sólido).

The branch of active matter is an area of physics that deals with the study of systems of active particles, agents capable of taking energy from the medium and transforming it into persistent motion in one direction. In recent years, a number of theoretical and computational models in active matter have been successful in explaining various macroscopic phenomena of dynamics of collective movements such as flocks of birds, schools of fish, herds, or even microscopic systems such as diffusion of cells, clusters of cells and movements in cellular tissues. Among these are various processes governed by the movement of cells, such as morphogenesis, embryogenesis, cell segregation, and regeneration in eukaryotic organisms. The study of different types of interactions and activity mechanisms, in systems of active matter, become increasingly important for application in these diverse contexts. This work seeks to study how adhesion interactions and velocity self-alignment interfere with the phases of the active particle system. The study was done through computer simulations of molecular dynamics where, using control parameters typical of active matter, it was possible to study the different states of the system. The states were classified from diffusion measurements and consistent order parameters and according to the boundary conditions of the system: confined and high density. The results indicate that the organizational phases of the system are strongly dependent on the relationship between activity, adhesion, and collectivity. In the regimes studied, activity and adhesion determined opposite roles in the level of fluidity of the system, as expected according to the (REDNER; BASKARAN; HAGAN, 2013) literature. In contrast, the degree of alignment showed non-monotonic behavior: it could increase or decrease the level of neighbor exchange in the system according to the parameter region in question. The overall collectivity showed positive correlation with activity and membership, as expected by the model ((HENKES; FILY; MARCHETTI, 2011; SZABO et al., 2006; BEATRICI; ALMEIDA; BRUNNET, 2017)); analyzing the specific collective regimes: polarized and rotational, it was possible to percive the relation with the organizational states, where rotative collectivity appeared in more fluidic regions, while the polarized ones appeared in both states(fluid and solid-like).