Mikrotubuli med vridning hjælper med at forstå kobling af aktive defekter og krumning

Forestil dig en lille doughnut-formet dråbe, dækket af vridende orme. Ormene er pakket så tæt sammen, at de lokalt skal stille op med hensyn til hinanden. I denne situation, vi vil sige, at ormene danner en nematisk flydende krystal, en ordnet fase svarende til de materialer, der bruges i mange fladskærme.

Imidlertid, den nematiske fase dannet af ormene er fyldt med små områder, hvor den lokale justering går tabt - defekter i det ellers justerede materiale. Ud over, fordi ormene konstant bevæger sig og ændrer deres konfiguration, denne nematiske fase er aktiv og langt fra ligevægt.

I forskning rapporteret i tidsskriftet Naturfysik , forskere fra Georgia Institute of Technology og Leiden University i Holland har beskrevet resultaterne af en kombineret teoretisk og eksperimentel undersøgelse af en så aktiv nematiker på overfladen af ​​donutformede - toroidale - dråber. Imidlertid, forskerne brugte ikke egentlige orme, men en aktiv nematisk sammensat af fleksible filamenter dækket af mikroskopiske motorer, der konstant omdanner energi til bevægelse.

Dette særlige aktive materiale, oprindeligt udviklet ved Brandeis University, låner elementer fra cellulære maskiner, med bundter af stavlignende mikrotubuli, der danner filamenterne, kinesin motorproteiner, der fungerer som motorer, og ATP som brændstof. Når denne aktivitet kombineres med defekter, manglerne "kommer til live, "bevæger sig rundt som svømmende mikroorganismer og udforsker rummet - i dette tilfælde, udforske overfladen af ​​de toroidale dråber.

Ved at studere toroidale dråber dækket af denne aktive nematisk, forskerne bekræftede en mangeårig teoretisk forudsigelse om flydende krystaller ved ligevægt, først diskuteret af Bowick, Nelson og Travesset [Phys.Rev. E 69, 041102 (2004)] at nematiske defekter på den buede overflade af sådanne dråber vil være følsomme over for den lokale krumning. Imidlertid, da den aktive nematic, der bruges i dette arbejde, langt fra ligevægt er, forskerne fandt også, hvordan den interne aktivitet ændrede sig og berigede forventningerne.

"Der har været forudsigelser, der siger, at defekter er meget følsomme over for det rum, de bebor, specifikt til krumning af rummet, "sagde Perry Ellis, en kandidatstuderende ved Georgia Tech School of Physics og papirets første forfatter. "Torus er et godt sted at undersøge dette, fordi torus yderside, den del, der lokalt ligner en kugle, har positiv krumning, mens den indre del af en torus, den del, der ligner en sadel, har negativ krumning. "

"Den mængde, der kendetegner en defekt, er det, vi kalder dens topologiske ladning eller snoede nummer, "sagde Alberto Fernandez-Nieves, en professor i Georgia Tech's School of Physics og en anden af ​​papirets medforfattere. "Det udtrykker, hvordan opretningsretningen for den nematiske flydende krystal ændres, når vi går rundt om defekten. Denne topologiske ladning kvantificeres, hvilket betyder, at det kun kan tage værdier fra et diskret sæt, der er multipler af halvdelen. "

I disse forsøg, hver defekt har en topologisk ladning på +1/2 eller -1/2. For at bestemme ladningen og placeringen af ​​hver defekt, Ellis observerede de toroidale dråber over tid ved hjælp af et konfokalt mikroskop og analyserede derefter den resulterende video ved hjælp af teknikker lånt fra computersyn. Forskerne fandt ud af, at selv med de molekylære motorer, der driver systemet ud af ligevægt, manglerne var stadig i stand til at fornemme krumningen, med +1/2 defekter, der migrerer mod regionen med positiv krumning og -1/2 defekter, der migrerer mod regionen med negativ krumning.

I dette nye værk, forskerne tog et skridt fremad for at forstå, hvordan man kontrollerer og styrer fejl i et bestilt materiale.

"Vi har lært, at vi kan kontrollere og styre delvist ordnet aktivt stof ved hjælp af krumningen af ​​det underliggende substrat, "sagde Fernandez-Nieves." Dette arbejde åbner muligheder for at studere, hvordan defekterne i disse materialer anbringes på overflader, der ikke har konstant krumning. Dette åbner døren for at kontrollere aktivt stof ved hjælp af krumning. "

Et uventet fund af undersøgelsen var, at defektenes konstante bevægelse bevirker, at den gennemsnitlige topologiske ladning bliver kontinuerlig, tager ikke længere kun værdier, der er multipler af halvdelen.

"I den aktive grænse for vores eksperimenter, vi fandt ud af, at den topologiske ladning bliver en kontinuerlig variabel, der nu kan antage enhver værdi, "sagde Fernandez-Nieves." Dette minder om, hvad der sker med mange kvantesystemer ved høj temperatur, hvor kvanten, diskret karakter af de tilgængelige tilstande og tilhørende variabler går tabt.

I stedet for at blive karakteriseret ved kvantiserede egenskaber, systemet bliver præget af kontinuumegenskaber. "

Ellis 'observationer af dråberne sammenlignede sig godt med numeriske simuleringer udført af adjunkt Luca Giomi og postdoktorforsker Daniel Pearce ved Instituut-Lorentz for teoretisk fysik ved Universiteit Leiden i Holland.

"Vores teoretiske model hjalp os med at tyde de eksperimentelle resultater og fuldt ud forstå den fysiske mekanisme, der styrer defektbevægelse, "sagde Pearce, "men tillod os også at gå ud over de nuværende eksperimentelle beviser." Tilføjet Giomi:"Aktivitet ændrer arten af ​​interaktionen mellem defekter og krumning. I svagt aktive systemer, defekter tiltrækkes af regioner med Gauss-krumning med samme tegn. Men i stærkt aktive systemer, denne effekt bliver mindre relevant, og defekter opfører sig som vedholdende tilfældige vandrere, der er begrænset i et lukket og inhomogent rum ".

Der er mange eksempler på aktive systemer drevet af intern aktivitet, herunder svømmende mikroorganismer, fugleflokke, robotsværme og trafikstrømme. "Aktive materialer er overalt, så vores resultater er ikke begrænset til bare dette system på en torus, "Tilføjede Ellis." Du kunne se den samme adfærd i ethvert aktivt system med defekter. "

Forskningen sætter scenen for fremtidigt arbejde med aktive væsker. "Vores resultater introducerer en ny ramme for at undersøge de mekaniske egenskaber ved aktive væsker og tyder på, at delvist ordnet aktivt stof kan styres og kontrolleres via gradienter i den underliggende substrats indre geometri, "skrev forfatterne i et resumé af deres papir.