Активное вещество - Active matter

Стая из скворцы действуя как роиться

Активное вещество состоит из большого количества активных «агентов», каждый из которых потребляет энергия для перемещения или приложения механических сил.[1][2] Такие системы по своей сути не тепловое равновесие. В отличие от тепловых систем, релаксирующих к равновесию, и систем с граничными условиями, налагающими постоянные токи, системы активного вещества разрушаются. симметрия обращения времени потому что энергия постоянно рассеивается отдельными составляющими.[3][4] Большинство примеров активного вещества имеют биологическое происхождение и охватывают все уровни живого, от бактерий и самоорганизующихся. биополимеры Такие как микротрубочки и актин (оба являются частью цитоскелет живых клеток), в стаи рыб и стаи птиц. Однако большая часть современных экспериментальных работ посвящена синтетическим системам, таким как искусственные самоходные частицы.[5][6] Активное вещество - относительно новая классификация материалов в мягкое вещество: наиболее изученная модель, Модель Вичека, датируется 1995 годом.[7]

Исследования активного вещества объединяют аналитические методы, численное моделирование и эксперименты. Известные аналитические подходы включают: гидродинамика,[8] кинетическая теория, и неравновесные статистическая физика. Численные исследования в основном включают самоходные частицы модели[9][10] используя агентный такие модели как молекулярная динамика алгоритмов, а также вычислительные исследования уравнений гидродинамики активные жидкости.[8] Эксперименты над биологическими системами охватывают широкий диапазон масштабов, включая группы животных (например, стаи птиц,[11] стада млекопитающих, косяки рыб и стаи насекомых[12]), бактериальные колонии, клеточные ткани (например, слои эпителиальной ткани,[13] рост рака и эмбриогенез), цитоскелет компоненты (например, in vitro анализы подвижности, актин-миозиновые сети и молекулярно-моторные филаменты[14]). Эксперименты на синтетических системах включают самоходные коллоиды (например, частицы[15]), взвешенные гранулы (например, вибрирующие монослои[16]), роящиеся роботы и ротаторы Quinke.

Понятия в активной материи

Системы активного вещества

Рекомендации

  1. ^ Рамасвами, Шрирам (01.01.2010). «Механика и статистика активного вещества». Ежегодный обзор физики конденсированного состояния. 1 (1): 323–345. arXiv:1004.1933. Bibcode:2010ARCMP ... 1..323R. Дои:10.1146 / annurev-conmatphys-070909-104101.
  2. ^ Marchetti, M.C .; Joanny, J.F .; Ramaswamy, S .; Ливерпуль, Т. Б .; Prost, J .; Rao, M .; Адита Симха, Р. (2012). «Гидродинамика мягкого активного вещества». Обзоры современной физики. 85 (3): 1143–1189. arXiv:1207.2929. Bibcode:2013РвМП ... 85.1143М. Дои:10.1103 / RevModPhys.85.1143.
  3. ^ Бертье, Людовик; Курчан, Хорхе (7 июня 2019 г.). «Лекции о неравновесных активных системах». arXiv:1906.04039 [cond-mat.stat-mech ].
  4. ^ Кейтс, Майкл Э .; Тайлер, Жюльен (2 января 2015 г.). «Фазовое разделение, вызванное подвижностью». Ежегодный обзор физики конденсированного состояния. 6: 219–244. arXiv:1406.3533. Bibcode:2015ARCMP ... 6..219C. Дои:10.1146 / annurev-conmatphys-031214-014710.
  5. ^ Брикар, Антуан; Казен, Жан-Батист; Desreumaux, Nicolas; Даушо, Оливье; Бартоло, Денис (6 ноября 2013 г.). «Возникновение макроскопического направленного движения в популяциях подвижных коллоидов». Природа. 503 (7474): 95–98. arXiv:1311.2017. Bibcode:2013Натура.503 ... 95Б. Дои:10.1038 / природа12673. PMID  24201282.
  6. ^ Theurkauff, I .; Cottin-Bizonne, C .; Palacci, J .; Ybert, C .; Боке, Л. (26 июня 2012 г.). «Динамическая кластеризация в активных коллоидных суспензиях с химической сигнализацией». Письма с физическими проверками. 108 (26): 268303. arXiv:1202.6264. Bibcode:2012PhRvL.108z8303T. Дои:10.1103 / PhysRevLett.108.268303. PMID  23005020.
  7. ^ Вичек, Т.; Цирок, А .; Ben-Jacob, E .; Коэн, I .; Шочет, О. (1995). «Новый тип фазового перехода в системе самодвижущихся частиц». Письма с физическими проверками. 75 (6): 1226–1229. arXiv:cond-mat / 0611743. Bibcode:1995ПхРвЛ..75.1226В. Дои:10.1103 / PhysRevLett.75.1226. PMID  10060237.
  8. ^ а б Тонер, Джон; Ту, Юхай; Рамасвами, Шрирам (1 июля 2005 г.). «Гидродинамика и фазы флок» (PDF). Анналы физики. Специальный выпуск. 318 (1): 170–244. Bibcode:2005AnPhy.318..170T. Дои:10.1016 / j.aop.2005.04.011.
  9. ^ Вичек, Тамаш; Чирок, Андраш; Бен-Джейкоб, Эшель; Коэн, Инон; Шочет, Офер (1995-08-07). «Новый тип фазового перехода в системе самодвижущихся частиц». Письма с физическими проверками. 75 (6): 1226–1229. arXiv:cond-mat / 0611743. Bibcode:1995ПхРвЛ..75.1226В. Дои:10.1103 / PhysRevLett.75.1226. PMID  10060237.
  10. ^ Шате, Хьюг; Джинелли, Франческо; Грегуар, Гийом; Рейно, Франк (2008-04-18). «Коллективное движение самоходных частиц, взаимодействующих без сцепления». Физический обзор E. 77 (4): 046113. arXiv:0712.2062. Bibcode:2008PhRvE..77d6113C. Дои:10.1103 / PhysRevE.77.046113. PMID  18517696.
  11. ^ Баллерини, М .; Cabibbo, N .; Candelier, R .; Cavagna, A .; Cisbani, E .; Giardina, I .; Lecomte, V .; Орланди, А .; Паризи, Г. (29 января 2008 г.). «Взаимодействие, определяющее коллективное поведение животных, зависит от топологического, а не метрического расстояния: данные полевого исследования». Труды Национальной академии наук. 105 (4): 1232–1237. arXiv:0709.1916. Bibcode:2008PNAS..105.1232B. Дои:10.1073 / pnas.0711437105. ISSN  0027-8424. ЧВК  2234121. PMID  18227508.
  12. ^ Buhl, J .; Самптер, Д. Дж. Т .; Кузин, И.Д .; Hale, J. J .; Despland, E .; Miller, E. R .; Симпсон, С. Дж. (02.06.2006). «От беспорядка к порядку в маршевой саранче». Наука. 312 (5778): 1402–1406. Bibcode:2006Научный ... 312.1402B. Дои:10.1126 / science.1125142. ISSN  0036-8075. PMID  16741126.
  13. ^ Трепат, Ксавьер; Вассерман, Майкл Р .; Анджелини, Томас Э .; Милле, Эмиль; Weitz, David A .; Батлер, Джеймс П.; Фредберг, Джеффри Дж. (2009-06-01). «Физические силы при коллективной миграции клеток». Природа Физика. 5 (6): 426–430. Bibcode:2009НатФ ... 5..426Т. Дои:10.1038 / nphys1269. ISSN  1745-2473.
  14. ^ Кебер, Феликс С .; Луазо, Этьен; Санчес, Тим; DeCamp, Стивен Дж .; Джоми, Лука; Боуик, Марк Дж .; Маркетти, М. Кристина; Догич, Звонимир; Бауш, Андреас Р. (05.09.2014). «Топология и динамика активных нематических везикул». Наука. 345 (6201): 1135–1139. arXiv:1409.1836. Bibcode:2014Наука ... 345.1135K. Дои:10.1126 / science.1254784. ISSN  0036-8075. ЧВК  4401068. PMID  25190790.
  15. ^ Палаччи, Джереми; Саканна, Стефано; Стейнберг, Ашер Преска; Пайн, Дэвид Дж .; Чайкин, Пол М. (22.02.2013). «Живые кристаллы светоактивированных коллоидных серферов». Наука. 339 (6122): 936–940. Bibcode:2013Научный ... 339..936П. Дои:10.1126 / science.1230020. ISSN  0036-8075. PMID  23371555.
  16. ^ Дезень, Жюльен; Даушо, Оливье; Шате, Хьюг (23.08.2010). «Коллективное движение вибрирующих полярных дисков». Письма с физическими проверками. 105 (9): 098001. arXiv:1004.1499. Bibcode:2010PhRvL.105i8001D. Дои:10.1103 / PhysRevLett.105.098001. PMID  20868196.