Dinámica y fenómenos fuera del equilibrio en materia granular y activa en dos dimensiones

Abstract

En este trabajo analizamos distintos fenómenos fuera del equilibrio presentes en medios granulares y activos, algunos de ellos no reportados previamente en la literatura. Dentro de los gases granulares, describimos en detalle y proponemos un marco teórico para explicar la aparición de efectos de memoria térmicos, en particular del efecto Mpemba en esferas rugosas y de los efectos Kovacs y Mpemba en un sistema de partículas viscolásticas, acompañamos esta descripción teórica con simulaciones de dinámica molecular y Monte Carlo, que muestran un alto grado de acuerdo. De manera análoga, estudiamos un sistema granular bidimensional de baja densidad, confinado entre paredes inelásticas y térmicas; demostrando la existencia de fenómenos convectivos sin necesidad de gravedad; es más, mostramos cómo en algunos casos la inelasticidad en colisiones particula-partícula no es imprescindible para la formación de los gradiente térmicos que generan la convección. Dentro del ámbito experimental, hemos realizado experimentos con un sistema quasi-2D de esferas excitadas por aire. Encontramos grandes desviaciones respecto a sistemas de equilibrio en campos como la difusión o la forma de la función de distribución, también mostramos la existencia de transiciones de fase y coexistencia de las mismas, a diferencia de lo que sucede en el modelo clásico KTHNY. En el caso de la materia activa, hemos realizado múltiples experimentos con un sistema de rotores quirales, observamos la formación de un movimiento colectivo quiral de las partículas y, lo que es más sorprendente, una transición de el sentido de esa quiralidad global a medida que inyectamos más energía en el sistema (sin que los rotores cambien su quiralidad geométrica intrínseca). También estudiamos fenómenos de difusión anómala en este sistema así como el efecto de añadir partículas de quiralidad opuesta (mezcla binaria).

In this work we analyze several instances of out-of-equilibrium phenomena in granular and active media, some of them not previously reported in the literature. In the case of granular gases, we describe in detail and propose a theoretical framework for explaining the appearance of thermal memory effects, in particular, a large Mpemba effect in a system of rough spheres and Kovacs and Mpemba effects in gases of viscoelastic particles; we accompany this theoretical description with results from MD and Monte Carlo simulations, showing a good agreement. In a similar way, we also study a bi-dimensional granular system at low density, where particles are confined by both thermal and inelastic walls; we prove the existence of convective phenomena without the need for a gravity field, furthermore, we also show that particle-particle inelasticity is not essential, in some instances, on the creation of the thermal gradients that sustain convection. In the experimental field we have also performed experiments with a system of quasi-2D air-fluidized spheres. We find large deviations from equilibrium in areas such as diffusion or in properties like the velocity distribution function, we also show the existence of phase transitions mediated by coexistence between phases, a departure from the classic KTHNY model. In the case of active matter, we have done multiple experiments with a system of active chiral rotors, there we observe the development of a collective chiral motion and, more surprisingly, a transition in the sense of rotation of that motion as we inject more energy to the system (without a change in the intrinsic geometric chirality of the particles). We also study other phenomena such as anomalous diffusion and the effect of creating a binary mixture, adding particles of a different species (rotating in the opposite direction).