Fysikere opdager en ny vej til aktiv selvorganisering af stof

Et internationalt hold ledet af professor Yilin Wu, Lektor ved Institut for Fysik ved The Chinese University of Hong Kong (CUHK) har gjort et nyt konceptuelt fremskridt inden for videnskaben om aktiv stof. Holdet opdagede en ny rute, hvor selvorganiseringen af ​​aktive væsker i rum og tid kan styres af en enkelt materialeegenskab kaldet viskoelasticitet. Denne nye opdagelse kan bane vejen for fremstilling af en ny klasse af selvdrevne enheder og materialer, såsom evnen til at kontrollere den rytmiske bevægelse af bløde robotter uden at stole på elektroniske kredsløb, og til studiet af mikrobiel fysiologi. Det er blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur .

Et hurtigt voksende og tværfagligt felt, aktivt stofvidenskabelige studiesystemer består af enheder, hvor energi bruges lokalt til at generere mekanisk arbejde. Aktivt stof omfatter alle levende organismer fra celler til dyr, biopolymerer drevet af molekylære motorer, og syntetiske selvkørende materialer. Selvorganisering (processen med at producere ordnede strukturer via interaktion mellem individuelle enheder) principper lært fra disse systemer kan finde anvendelse i vævsteknologi og i fremstilling af nye bio-inspirerede enheder eller materialer.

Undersøgelsen er udtænkt af professor Wu og hans tidligere ph.d. studerende Song Liu (i øjeblikket postdoc ved Institute for Basic Science i Korea). De har en langsigtet interesse i at forstå de fysiske fænomener med selvorganisering i biologisk aktivt stof, med fokus på aktive væsker bestående af bevægelige mikroorganismer. I et tidligere papir samarbejdet med oversøiske fysikere udgivet i Natur i 2017, de rapporterede om en svag synkroniseringsmekanisme for biologisk kollektiv oscillation, hvor robust tidsmæssig orden fremkommer fra et stort antal uberegnelige, men svagt koblede baner af individuelle celler i bakteriesuspensioner. Imidlertid, den samtidige kontrol af rumlig og tidsmæssig orden er mere udfordrende.

I den nye undersøgelse, CUHK-forskerholdet fandt spor i viskoelasticitet, en fælles egenskab for komplekse væsker, som har både væskelignende og faststoflignende reaktioner under deformation. Mens man manipulerer viskoelasticiteten af ​​en bakteriel aktiv væske med DNA-polymerer, holdet fandt spektakulære fænomener. Den bakterielle aktive væske organiserer sig først i rummet til en roterende hvirvel i millimeterskala, viser derefter tidsmæssig organisation, mens den gigantiske hvirvel skifter sin globale chiralitet med jævne mellemrum med afstembar frekvens, som et selvdrevet torsionspendul. Holdet mente, at disse slående fænomener muligvis kan opstå fra samspillet mellem aktiv forcering og viskoelastisk stressafslapning. Viskoelastisk afslapning sker på en tidsskala svarende til overgangen fra faststoflignende til væskelignende reaktioner, når en kompleks væske deformeres.

For yderligere at forstå de observerede fænomener, CUHK-forskerne slog sig sammen med teoretiske fysikere Cristina Marchetti, Professor ved University of California, Santa Barbara og hendes tidligere ph.d. studerende Suraj Shankar, nu Junior Fellow ved Harvard University. De to teoretikere udviklede en model for aktivt stof, der kobler bakteriel aktivitet, polymer elastisk stress, og felterne for bakteriel hastighed og polarisering. Analyse og computersimuleringer af modellen gengiver alle de store eksperimentelle fund, og forklare også begyndelsen af ​​rumlig og tidsmæssig orden i form af konkurrencen mellem tidsskalaerne for viskoelastisk afspænding og aktiv forcering.

Disse nye resultater demonstrerer eksperimentelt for første gang, at materialers viskoelasticitet kan udnyttes til at kontrollere aktivt stofs selvorganisering. Det vil give næring til udviklingen af ​​ikke-ligevægtsfysik og kan bane vejen for fremstilling af en ny klasse af adaptive selvdrevne enheder og materialer. For eksempel, når de er koblet til aktiveringssystemer af bløde robotter, den afstembare og selvoscillerende hvirvel i millimeterskala kan bruges som en 'urgenerator', der giver timingsignaler til programmeret mikrofluidisk pumpning og til styring af den rytmiske bevægelse af bløde robotter. uden at være afhængig af elektroniske kredsløb. I øvrigt, bakterier i biofilm og dyrs mave-tarmkanaler svømmer ofte i viskoelastiske væsker, der er rigelige i langkædede polymerer. De nye resultater tyder også på, at miljøets viskoelasticitet kan ændre de kollektive bevægelsesmønstre for bakterier, derved påvirke spredningen af ​​biofilm og translokationen af ​​tarmmikrobiom.