Коллективное движение
Спонтанное упорядоченное движение независимых агентов

Коллективное движение определяется как спонтанное возникновение упорядоченного движения в системе, состоящей из множества самодвижущихся агентов . Его можно наблюдать в повседневной жизни, например, в стаях птиц , косяках рыб , стадах животных, а также в толпах и автомобильном движении. Оно также проявляется на микроскопическом уровне: в колониях бактерий, анализах подвижности и искусственных самодвижущихся частицах . [1] [2] [3] Научное сообщество пытается понять универсальность этого явления. В частности, оно интенсивно исследуется в статистической физике и в области активной материи . Эксперименты на животных, [4] биологических и синтезированных самодвижущихся частицах , моделирование [5] и теории [6] [7] проводятся параллельно для изучения этих явлений. Одной из самых известных моделей, описывающих такое поведение, является модель Вичека, введенная Тамашем Вичеком и др. в 1995 году. [8]

Коллективное поведение самодвижущихся частиц

Источник: [9]

Подобно биологическим системам в природе, самодвижущиеся частицы также реагируют на внешние градиенты и демонстрируют коллективное поведение. Микромоторы или наномоторы могут взаимодействовать с самогенерируемыми градиентами и демонстрировать поведение стайности и исключения. [10] Например, Ибеле и др. продемонстрировали, что микромоторы хлорида серебра в присутствии УФ-света взаимодействуют друг с другом при высоких концентрациях и образуют стаи. [11] Подобное поведение можно наблюдать и с микрочастицами диоксида титана. [12] Микрочастицы ортофосфата серебра демонстрируют переходы между поведением стайности и исключения в ответ на аммиак, перекись водорода и УФ-свет. [13] [14] Это поведение можно использовать для проектирования вентиля NOR, поскольку различные комбинации двух различных стимулов (аммиак и УФ-свет) генерируют различные выходные сигналы. Колебания между поведением стайности и исключения также настраиваются с помощью изменений концентрации перекиси водорода. Потоки жидкости, создаваемые этими колебаниями, достаточно сильны, чтобы транспортировать микромасштабные грузы и даже могут направлять сборку плотно упакованных коллоидных кристаллических систем. [15]

Микромоторы и наномоторы также могут двигаться преимущественно в направлении внешних химических градиентов, явление, определяемое как хемотаксис . Хемотаксис наблюдался в самодвижущихся наностержнях Au-Pt, которые диффундируют к источнику перекиси водорода, когда помещаются в градиент химического вещества. [16] Микрочастицы кремния с катализатором Граббса, привязанным к ним, также движутся к более высоким концентрациям мономера. [17] Ферменты также ведут себя как наномоторы и мигрируют к областям с более высокой концентрацией субстрата, что известно как хемотаксис ферментов. [18] [19] Одним из интересных применений хемотаксиса наномоторов ферментов является разделение активных и неактивных ферментов в микрофлюидных каналах. [20] Другим направлением является исследование образования метаболона путем изучения скоординированного движения первых четырех ферментов каскада гликолиза: гексокиназы, фосфоглюкозоизомеразы, фосфофруктокиназы и альдолазы. [21] [22] Совсем недавно частицы, покрытые ферментами, и липосомы, покрытые ферментами [23], показали схожее поведение в градиентах реагентов в микрофлюидных каналах. [24] В целом, хемотаксис биологических и синтезированных самодвижущихся частиц обеспечивает способ направления движения в микромасштабе и может использоваться для доставки лекарств, датчиков, устройств «лаборатория на чипе» и других приложений. [25]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Палаччи, Джереми; Саканна, Стефано; Стейнберг, Эшер Преска; Пайн, Дэвид Дж.; Чайкин, Пол М. (2013). «Живые кристаллы активируемых светом коллоидных серферов». Science . 339 (6122): 936–940. Bibcode :2013Sci...339..936P. doi :10.1126/science.1230020. PMID  23371555. S2CID  1974474.
  2. ^ Theurkauff, I.; Cottin-Bizonne, C.; Palacci, J.; Ybert, C.; Bocquet, L. (2012). «Динамическая кластеризация в активных коллоидных суспензиях с химической сигнализацией». Physical Review Letters . 108 (26): 268303. arXiv : 1202.6264 . Bibcode :2012PhRvL.108z8303T. doi :10.1103/physrevlett.108.268303. PMID  23005020. S2CID  4890068.
  3. ^ Буттинони, И.; Бьялке, Дж.; Кюммель, Ф.; Лёвен, Х .; Бехингер, К.; Шпек, Т. (2013). «Динамическая кластеризация и разделение фаз в суспензиях самодвижущихся коллоидных частиц». Physical Review Letters . 110 (23): 238301. arXiv : 1305.4185 . Bibcode : 2013PhRvL.110w8301B. doi : 10.1103/physrevlett.110.238301. PMID  25167534. S2CID  17127522.
  4. ^ Федер, Тони (2007). «Статистическая физика — для птиц». Physics Today . 60 (10): 28–30. Bibcode : 2007PhT....60j..28F. doi : 10.1063/1.2800090 .
  5. ^ Грегуар, Гийом; Шатэ, Хьюз (2004-01-15). «Начало коллективного и сплоченного движения». Physical Review Letters . 92 (2): 025702. arXiv : cond-mat/0401208 . Bibcode : 2004PhRvL..92b5702G. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.025702. PMID  14753946. S2CID  37159324.
  6. ^ Тонер, Джон; Ту, Юхай (1995-12-04). «Дальний порядок в двумерной динамической модели $\mathrm{XY}$: как птицы летают вместе». Physical Review Letters . 75 (23): 4326–4329. Bibcode :1995PhRvL..75.4326T. doi :10.1103/PhysRevLett.75.4326. PMID  10059876.
  7. ^ Шате, Х.; Джинелли, Ф.; Грегуар, Г.; Перуани, Ф.; Рейно, Ф. (11 июля 2008 г.). «Моделирование коллективного движения: вариации модели Вичека» (PDF) . Европейский физический журнал Б. 64 (3–4): 451–456. Бибкод : 2008EPJB...64..451C. doi : 10.1140/epjb/e2008-00275-9. ISSN  1434-6028. S2CID  49363896.
  8. ^ Vicsek, T.; Czirok, A.; Ben-Jacob, E.; Cohen, I.; Shochet, O. (1995). «Новый тип фазового перехода в системе самодвижущихся частиц». Physical Review Letters . 75 (6): 1226–1229. arXiv : cond-mat/0611743 . Bibcode :1995PhRvL..75.1226V. doi :10.1103/PhysRevLett.75.1226. PMID  10060237. S2CID  15918052.
  9. ^ Altemose, A; Sen, A. (2018). Коллективное поведение искусственных микропловцов в ответ на условия окружающей среды . Королевское химическое общество. С. 250–283. ISBN 9781788011662.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  10. ^ Ван, В.; Дуань, В.; Ахмед, С.; Маллук, Т.; Сен, А. (2013). «Малая мощность: автономные нано- и микродвигатели, приводимые в движение самогенерируемыми градиентами». Nano Today . 8 (5): 531. doi :10.1016/j.nantod.2013.08.009.
  11. ^ Ибеле, М.; Маллук, Т.; Сен, А. (2009). «Поведение обучения автономных микромоторов с питанием от света в воде». Angewandte Chemie International Edition . 48 (18): 3308–12. doi :10.1002/anie.200804704. PMID  19338004.
  12. ^ Хонг, И.; Диас, М.; Кордова-Фигероа, У.; Сен, А. (2010). «Управляемые светом реверсивные микрофейерверки и микромоторные/микронасосные системы на основе диоксида титана». Advanced Functional Materials . 20 (10): 1568. doi :10.1002/adfm.201000063. S2CID  51990054.
  13. ^ Дуань, В.; Лю, Р.; Сен, А. (2013). «Переход между коллективным поведением микромоторов в ответ на различные стимулы». Журнал Американского химического общества . 135 (4): 1280–3. doi :10.1021/ja3120357. PMID  23301622.
  14. ^ Altemose, A.; Sánchez-Farrán, MA; Duan, W.; Schulz, S.; Borhan, A.; Crespi, VH; Sen, A. (2017). «Химически контролируемые пространственно-временные колебания коллоидных агрегатов». Angewandte Chemie International Edition . 56 (27): 7817–7821. doi : 10.1002/anie.201703239 . PMID  28493638.
  15. ^ Altemose, Alicia; Harris, Aaron J.; Sen, Ayusman (2020). «Автономное формирование и отжиг коллоидных кристаллов, вызванные световыми колебаниями активных частиц». ChemSystemsChem . 2 (1): e1900021. doi : 10.1002/syst.201900021 . ISSN  2570-4206.
  16. ^ Хонг, И.; Блэкманн, НМК; Копп, Н.Д.; Сен, А.; Велегол, Д. (2007). «Хемотаксис небиологических коллоидных стержней». Physical Review Letters . 99 (17): 178103. Bibcode : 2007PhRvL..99q8103H. doi : 10.1103/physrevlett.99.178103. PMID  17995374.
  17. ^ Равлик, РА.; Сенгупта, С.; Макфадден, Т.; Чжан, Х.; Сен, А. (2011). «Мотор, работающий на основе полимеризации». Angewandte Chemie International Edition . 50 (40): 9374–7. doi :10.1002/anie.201103565. PMID  21948434. S2CID  6325323.
  18. ^ Сенгупта, С.; Дей, К.К.; Маддана, Х.С.; Табуйо, Т.; Ибеле, М.; Батлер, П.Дж.; Сен, А. (2013). «Молекулы ферментов как наномоторы». Журнал Американского химического общества . 135 (4): 1406–14. doi :10.1021/ja3091615. PMID  23308365.
  19. ^ Мохаджерани, Фарзад; Чжао, Си; Сомасундар, Амбика; Велегол, Даррелл; Сен, Аюсман (2018-10-30). «Теория хемотаксиса ферментов: от экспериментов к моделированию». Биохимия . 57 (43): 6256–6263. arXiv : 1809.02530 . doi : 10.1021/acs.biochem.8b00801. ISSN  0006-2960. PMID  30251529. S2CID  52816076.
  20. ^ Дей, Кришна Канти; Дас, Самбита; Пойтон, Мэтью Ф.; Сенгупта, Самудра; Батлер, Питер Дж.; Кремер, Пол С.; Сен, Аюсман (2014). «Хемотаксическое разделение ферментов». АСУ Нано . 8 (12): 11941–11949. дои : 10.1021/nn504418u . ISSN  1936-0851. ПМИД  25243599.
  21. ^ Чжао, Си; Палаччи, Анри; Ядав, Винита; Спиэринг, Мишель М.; Гилсон, Майкл К.; Батлер, Питер Дж.; Хесс, Генри; Бенкович, Стивен Дж.; Сен, Аюсман (2018). «Сборка хемотаксиса, управляемая субстратом, в каскаде ферментов». Nature Chemistry . 10 (3): 311–317. Bibcode :2018NatCh..10..311Z. doi :10.1038/nchem.2905. ISSN  1755-4330. PMID  29461522.
  22. ^ Метаболоны и супрамолекулярные ферментные ансамбли. Academic Press. 2019-02-19. ISBN 9780128170755.
  23. ^ Сомасундар, Амбика; Гош, Субхадип; Мохаджерани, Фарзад; Массенбург, Линниция Н.; Янг, Тинглу; Кремер, Пол С.; Велегол, Даррелл; Сен, Аюсман (декабрь 2019 г.). «Положительный и отрицательный хемотаксис липосомных моторов, покрытых ферментами». Nature Nanotechnology . 14 (12): 1129–1134. Bibcode :2019NatNa..14.1129S. doi :10.1038/s41565-019-0578-8. ISSN  1748-3395. PMID  31740796. S2CID  208168622.
  24. ^ Дей, Кришна К.; Чжао, Си; Танси, Бенджамин М.; Мендес-Ортис, Вильфредо Х.; Кордова-Фигероа, Убальдо М.; Голестаниан, Рамин; Сен, Аюсман (30 ноября 2015 г.). «Микромоторы, работающие на ферментативном катализе». Nano Letters . 15 (12): 8311–8315. Bibcode :2015NanoL..15.8311D. doi :10.1021/acs.nanolett.5b03935. ISSN  1530-6984. PMID  26587897.
  25. ^ Чжао, Си; Джентиле, Кайла; Мохаджерани, Фарзад; Сен, Аюсман (16.10.2018). «Усиление движения с помощью ферментов». Accounts of Chemical Research . 51 (10): 2373–2381. doi :10.1021/acs.accounts.8b00286. ISSN  0001-4842. PMID  30256612. S2CID  52845451.

Дополнительные ссылки

  • Bricard, A.; Caussin, JB; Desreumaux, N.; Dauchot, O.; Bartolo, D. (2013). «Возникновение макроскопического направленного движения в популяциях подвижных коллоидов». Nature . 503 (7474): 95–98. arXiv : 1311.2017 . Bibcode :2013Natur.503...95B. doi :10.1038/nature12673. PMID  24201282. S2CID  1174081.
  • Вичек, Т.; Зафейрис, А. (2012). «Коллективное движение». Отчеты по физике . 517 (3): 71–140. arXiv : 1010.5017 . Бибкод : 2012ФР...517...71В. doi :10.1016/j.physrep.2012.03.004. S2CID  119109873.
  • Физики объединяются, чтобы исследовать механику коллективного движения The Guardian , 13 января 2014 г.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Коллективное_движение&oldid=1225322308"