Modelagem de movimentos coletivos de matéria ativa

Abstract

O estudo do movimento coletivo de matéria ativa vêm sendo pauta nos ultimos anos por uma extensa comunidade de físicos teóricos e experimentais, devido a rica fenomenologia que apresenta. Revoadas de p assaros, cardumes de peixes, enxames de insetos, rebanhos de mamíferos são todos exemplos de sistemas de matéria ativa observados na natureza, os quais possuem a característica individual de serem auto-propelentes. Estudos mostraram que certas transições, de uma configuração desordenada para ordenada, ocorrem em tais sistemas devido ao fato de existir uma tendência de alinhamento entre os mais próximos (vizinhos). A partir das observações a respeito da tendência de alinhamento que existe entre vizinhos e do movimento persistente individual, foram revisados neste trabalho modelos numéricos mínimos conhecidos para movimento coletivo de matéria ativa, os quais levam em conta essas propriedades. Inicialmente, analisamos o caso onde as entidades ativas são partículas puntuais. Transições contínuas e descontínuas foram observadas, as quais dependem da forma do ruído estocastico que o sistema está sujeito e do tamanho do sistema. Nas simulações numéricas realizadas, observa-se que sistemas ativos podem se alinhar a um campo externo dependendo da intensidade do ruído estocastico, o qual também foi observado em estudos iniciais de matéria ativa. Além disso, considerou-se a possibilidade de existir em certos sistemas de matéria ativa, um volume de exclusão e uma interação de curto alcance, tipo harmônica, entre os constituintes do sistema. Assim, simulações foram realizadas, levando em conta essa nova propriedade, identificando-se que o sistema apresenta, além das fases movente (movimento ordenado) e não-movente (movimento desordenado) do caso anterior, fases sólida, gasosa e l quida, como tamb em observado em trabalhos anteriores. Por m, mostrou-se que um agregado (fase s olida) não movente, sob certas circunstâncias, pode interagir com um campo externo e passar a se mover na direção desse campo.

In the last years, the study of collective motion in active matter has been a subject of intensive research by an extensive community of theorical and experimental physicists, due to the rich phenomenology that it presents. Flocks of birds, schools of sh, swarms of insects and herds of mammals are examples of active matter systems observed in nature, which have the individual characteristic of being self-propelled. Studies have shown that certain transitions, from a disordered to ordered con guration, occur in such systems due to the fact that there is a tendency of alignment between neighbors. From experimental observations, alignment tendency between neighbors and individual persistent movement were taken into account when developing minimum numerical models for collective movement of active matter. These models are reviewed in this work. Initially, when active entities were treated as point particles, it was observed that systems can undergo both continuous and discontinuous phase transitions. These transitions depend on the form of the stochastic noise applied to the system and the size of the system. Through numerical simulations, it was observed that active systems are able to align to an external eld depending on the stochastic noise intensity. In addition, it was considered systems of active matter where entities interact through excluded volume and harmonic (short-ranged) interactions. Simulations performed taking into account these new properties, identify that the system presents solid, gaseous and liquid phases, besides the moving and non-moving phases of the previous case. Finally, it has been shown that a non-moving aggregate (solid phase), under certain circumstances, can interact with an external eld and move in the direction of that eld.