Undersøgelse afslører kollektiv dynamik i aktive stofsystemer

Flokke af stære, der producerer blændende mønstre på tværs af himlen, er naturlige eksempler på aktivt stof - grupper af individuelle agenter, der kommer sammen for at skabe kollektiv dynamik. I en undersøgelse på forsiden af ​​tidsskriftet 6. marts Videnskab , et team af forskere, der inkluderer fysikere fra Brown University, afslører ny indsigt i, hvad der sker inde i aktive stofsystemer.

Forskningen beskriver forsøg med en tredimensionel aktiv nematisk. Nematic beskriver en tilstand af stof, der opstår i den slags flydende krystaller, der er meget udbredt i smartphone- og tv -skærme. De cigarformede molekyler i flydende krystaller er i stand til at bevæge sig som i en væske, men har en tendens til at blive bestilt mere eller mindre i samme retning, lidt som en krystal.

I en normal flydende krystal, molekylerne er passive, hvilket betyder, at de ikke har evnen til at køre selv. Men systemet involveret i denne nye undersøgelse erstatter de passive molekyler med små bundter af mikrotubuli, hver med evnen til at forbruge brændstof og drive sig selv. Målet med forskningen var at undersøge, hvordan disse aktive elementer påvirker systemets rækkefølge.

"Disse mikrotubuli har en tendens til at justere, men ødelægger også hele tiden deres egen tilpasningsorden med deres bevægelse, "sagde studieforfatter Daniel Beller, en adjunkt i fysik ved University of California, Merced, der begyndte at arbejde med forskningen, mens han var postdoktor ved Brown. "Så der er kollektive bevægelser, der skaber defekter i justeringen, og det er det, vi studerer her. "

Efterhånden som systemet udvikler sig, manglerne ser ud til at komme til live på en eller anden måde, skabe linjer, sløjfer og andre strukturer, der slynger sig gennem systemet. Forskerne studerede strukturer ved hjælp af topologi, en matematikgren, der beskæftiger sig med, hvordan ting deformeres uden at gå i stykker.

"Hvis dit mål er at forstå dynamikken i disse systemer, så er en måde at gøre det på at fokusere på disse nye topologiske strukturer som en måde at karakterisere dynamikken på, "sagde Robert Pelcovits, en professor i fysik ved Brown og en studieforfatter. "Hvis vi kan få vejledende principper fra dette enkle system, det kan hjælpe os med at forstå mere komplicerede. "

Beller, Pelcovits og Thomas Powers, professor i teknik og fysik ved Brown, ledet det teoretiske arbejde til undersøgelsen. Det eksperimentelle arbejde blev udført af forskere fra Brandeis University og University of California, Santa Barbara. Forskere fra Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, University of Chicago, Brandeis og Eindhoven University of Technology bidrog med ekspertise inden for computermodellering.

Denne form for arbejde var blevet udført i todimensionale systemer, men det er første gang, et 3D-system var blevet undersøgt på denne måde. Undersøgelsen viste, at de dominerende topologiske strukturer i systemet var loopstrukturer, der dukker op spontant, udvide og derefter tilintetgøre sig selv.

Sløjferne er relateret til de slags fejl, der opstår i bedre undersøgte 2-D-systemer, men de adskiller sig på en central måde, siger forskerne. I 2-D, fejl opstår i par punkter, der har modsatrettede egenskaber eller "ladninger, "lidt som partikler og antipartikler. Når de først dannes, de eksisterer, indtil de til sidst støder på en defekt med den modsatte ladning, som får dem til at udslette.

Sløjferne, der dannes i 3D, i modsætning, ikke have noget gebyr. Som resultat, de danner og tilintetgør alt på egen hånd. De er stadig relateret til 2-D-defektstrukturer, imidlertid. Faktisk, 3D-sløjferne kan betragtes som forlængelser af 2-D-punktdefekter. Forestil dig to punktdefekter, der sidder på en 2-D overflade. Forbind nu de to punkter med en bue, der stiger op af 2-D overfladen, og en anden bue på undersiden af ​​overfladen. Resultatet er en loop, der har begge ladninger af punkterne, men er i sig selv ladningsneutral. Det muliggør nukleation og tilintetgørelse helt alene.

Forskerne håber, at denne nye forståelse af dette systems dynamik vil være anvendelig i virkelige systemer som bakteriekolonier, strukturer og systemer i menneskekroppen, eller andre systemer.

"Det, vi fandt her, er et ganske generelt sæt adfærd, som vi tror vil være fuldt ud til stede i lignende systemer, der har denne tendens til at justere, men det gør også lagret energi til bevægelse, "Sagde Beller.