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研究揭示了活性物质系统的集体动力学

成群的八哥幼鸟在天空中产生令人眼花patterns乱的图案,这是自然界中活跃的事物的自然实例-一群个体个体聚集在一起创造出集体的动力。在3月6日的《科学》杂志封面上进行的一项研究中,包括布朗大学物理学家在内的一组研究人员揭示了对活性物质系统内部发生变化的新见解。

该研究描述了使用三维主动向列的实验。向列型描述了一种物质状态,这种状态以广泛用于智能手机和电视显示器的液晶形式出现。液晶中的雪茄形分子能够像在液体中一样移动,但是趋于或多或少地沿相同方向保持有序,有点像晶体。

在正常的液晶中,分子是无源的,这意味着它们没有自我推进的能力。但是,这项新研究涉及的系统用微小的微管束代替了那些被动分子,每个微管都具有消耗燃料和推动自身的能力。研究的目的是研究那些活动元素如何影响系统的顺序。

研究的共同作者,加州大学默塞德大学物理学助理教授丹尼尔·贝勒说:“这些微管往往会对齐,但还会不断破坏其与运动的对齐顺序。”布朗博士后研究员。“因此,有一些集体运动会在路线上造成缺陷,这就是我们在这里研究的内容。”

随着系统的发展,缺陷似乎在某种意义上变得栩栩如生,从而形成了蜿蜒穿过系统的线,环和其他结构。研究人员使用拓扑来研究结构,拓扑是关于事物如何变形而不破裂的数学分支。

布朗物理学教授,研究合著者罗伯特·佩尔科维茨(Robert Pelcovits)说:“如果您的目标是了解这些系统的动力学,那么实现这一目标的一种方法就是将这些新兴的拓扑结构作为表征动力学的一种方法。” 。“如果我们能从这个简单的系统中获得指导原则,那可能会帮助指导我们理解更复杂的原则。”

布朗的工程学和物理教授Beller,Pelcovits和Thomas Powers领导了这项研究的理论工作。实验工作由布兰代斯大学和加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的研究人员完成。马克斯·普朗克动力学与自组织研究所,芝加哥大学,布兰代斯大学和艾恩德霍芬科技大学的研究人员贡献了计算机建模方面的专业知识。

这种工作是在二维系统中完成的,但这是首次以这种方式研究3D系统。研究表明,系统中占主导地位的拓扑结构是自发出现,扩展然后自self灭的环形结构。

研究人员说,这些循环与在经过深入研究的二维系统中出现的缺陷种类有关,但它们在关键方面有所不同。在二维中,缺陷在成对的点中出现,这些点具有相反的特性或“电荷”,有点像粒子和反粒子。一旦形成,它们就会存在,直到它们最终以相反的电荷陷入缺陷,从而导致它们被歼灭。

相反,以3-D形式形成的环路不带电荷。结果,它们自行形成并歼灭了一切。但是,它们仍然与二维缺陷结构有关。实际上,可以将3-D循环视为2-D点缺陷的扩展。想象一下位于二维表面上的两点缺陷。现在,将这两个点与从2D曲面上升的弧线以及在曲面底面的第二条弧线连接起来。结果是同时包含两个点的电荷的循环,但其本身是电荷中性的。这样就可以单独实现成核和歼灭。

研究人员希望这种对系统动力学的新认识将适用于现实系统,例如细菌菌落,人体的结构和系统或其他系统。

贝勒说:“我们在这里发现的是一组相当普遍的行为,我们认为它们会在具有趋于对齐趋势的相似系统中完全存在,但同时也会将存储的能量转化为运动。”

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