We study experimentally and numerically a (quasi-)two-dimensional colloidal suspension of self-propelled spherical particles. The particles are carbon-coated Janus particles, which are propelled due to diffusiophoresis in a near-critical water-lutidine mixture. At low densities, we find that the driving stabilizes small clusters. At higher densities, the suspension undergoes a phase separation into large clusters and a dilute gas phase. The same qualitative behavior is observed in simulations of a minimal model for repulsive self-propelled particles lacking any alignment interactions. The observed behavior is rationalized in terms of a dynamical instability due to the self-trapping of self-propelled particles.

The kinetic separation of repulsive active Brownian particles into a dense and a dilute phase is analyzed using a systematic coarse-graining strategy. We derive an effective Cahn-Hilliard equation on large length and time scales, which implies that the separation process can be mapped onto that of passive particles. A lower density threshold for clustering is found, and using our approach we demonstrate that clustering first proceeds via a hysteretic nucleation scenario and above a higher threshold changes into a spinodal-like instability. Our results are in agreement with particle-resolved computer simulations and can be verified in experiments of artificial or biological microswimmers.

Using Brownian dynamics computer simulations, we show that a two-dimensional suspension of self-propelled (''active'') colloidal particles crystallizes at sufficiently high densities. Compared to the equilibrium freezing of passive particles, the freezing density is both significantly shifted and depends on the structural or dynamical criterion employed. In nonequilibrium the transition is accompanied by pronounced structural heterogeneities. This leads to a transition region between liquid and solid in which the suspension is globally ordered but unordered liquidlike ``bubbles'' still persist.