Ruch zbiorowy

Ruch zbiorowy definiuje się jako spontaniczne pojawienie się uporządkowanego ruchu w systemie składającym się z wielu samobieżnych czynników . Można to zaobserwować w życiu codziennym, na przykład w stadach ptaków , ławicach ryb , stadach zwierząt, a także w tłumie i ruchu samochodowym. Pojawia się również na poziomie mikroskopowym: w koloniach bakterii, testach ruchliwości i sztucznych cząstkach samobieżnych . Środowisko naukowe stara się zrozumieć powszechność tego zjawiska. W szczególności jest intensywnie badany w fizyce statystycznej oraz w dziedzinie materii czynnej . Eksperymenty na zwierzętach, biologiczne i syntetyzowane cząstki samobieżne , symulacje i teorie są prowadzone równolegle w celu zbadania tych zjawisk. Jednym z najbardziej znanych modeli opisujących takie zachowanie jest model Vicsek wprowadzony przez Tamása Vicseka i in. w 1995.

Zbiorowe zachowanie cząstek samobieżnych

Podobnie jak systemy biologiczne w przyrodzie, cząstki samobieżne również reagują na gradienty zewnętrzne i wykazują zachowania zbiorowe. Mikrosilniki lub nanosilniki mogą wchodzić w interakcje z samoczynnie generowanymi gradientami i wykazywać zachowanie szkolne i wykluczające. Na przykład Ibele i in. wykazali, że mikrosilniki chlorku srebra w obecności światła UV oddziałują ze sobą w wysokich stężeniach i tworzą szkoły. Podobne zachowanie można również zaobserwować w przypadku mikrocząstek dwutlenku tytanu. Mikrocząsteczki ortofosforanu srebra wykazują przejścia między zachowaniami szkolnymi i wykluczającymi w odpowiedzi na amoniak, nadtlenek wodoru i światło UV. To zachowanie można wykorzystać do zaprojektowania bramki NOR, ponieważ różne kombinacje dwóch różnych bodźców (amoniaku i światła UV) generują różne wyjścia. Oscylacje między zachowaniami szkolnymi a zachowaniami wykluczającymi można również regulować poprzez zmiany stężenia nadtlenku wodoru. Przepływy płynów generowane przez te oscylacje są wystarczająco silne, aby przenosić ładunki w mikroskali, a nawet mogą kierować montażem ciasno upakowanych układów kryształów koloidalnych.

Mikrosilniki i nanosilniki mogą również poruszać się preferencyjnie w kierunku zewnętrznych gradientów chemicznych, co jest zjawiskiem określanym jako chemotaksja . Chemotaksję zaobserwowano w samobieżnych nanoprętach Au-Pt, które dyfundują w kierunku źródła nadtlenku wodoru po umieszczeniu w gradiencie substancji chemicznej. Mikrocząsteczki krzemionki z przywiązanym do nich katalizatorem Grubbsa również poruszają się w kierunku wyższych stężeń monomerów. Enzymy również zachowują się jak nanomotory i migrują w kierunku regionów o wyższym stężeniu substratu, co jest znane jako chemotaksja enzymów. Jednym z interesujących zastosowań chemotaksji nanomotorycznej enzymów jest rozdzielanie aktywnych i nieaktywnych enzymów w kanałach mikroprzepływowych. Innym jest badanie metabolonów poprzez badanie skoordynowanego ruchu pierwszych czterech enzymów kaskady glikolizy: heksokinazy, izomerazy fosfoglukozy, fosfofruktokinazy i aldolazy. Niedawno cząstki pokryte enzymem i liposomy pokryte enzymem wykazały podobne zachowanie w gradientach reagentów w kanałach mikroprzepływowych. Ogólnie rzecz biorąc, chemotaksja biologicznych i zsyntetyzowanych cząstek samobieżnych zapewnia sposób kierowania ruchem w mikroskali i może być wykorzystywana do dostarczania leków, wykrywania, urządzeń typu lab-on-a-chip i innych zastosowań.

Zobacz też

• Zbiorowy ruch bakterii
• Zbiorowe zachowanie zwierząt
• Zbiorowa migracja komórek
• Mikropływak

Dalsze referencje

•    Bricard, A.; Caussin, JB; Desreumaux, N.; Dauchot, O.; Bartolo, D. (2013). „Pojawienie się makroskopowego ruchu skierowanego w populacjach ruchliwych koloidów” . Natura . 503 (7474): 95–98. arXiv : 1311.2017 . Bibcode : 2013Natur.503...95B . doi : 10.1038/natura12673 . PMID 24201282 . S2CID 1174081 .
•   Vicsek, T.; Zafeiris, A. (2012). „Ruch zbiorowy” . Raporty fizyczne . 517 (3): 71–140. ar Xiv : 1010.5017 . Bibcode : 2012PhR...517...71V . doi : 10.1016/j.physrep.2012.03.004 . S2CID 119109873 .

Linki zewnętrzne

• Fizycy wspólnie badają mechanikę ruchu zbiorowego The Guardian , 13 stycznia 2014 r.