Коллективное движение - Collective motion

Коллективное движение определяется как спонтанный появление упорядоченного движения в системе, состоящей из многих самоходные средства. Это можно наблюдать в повседневной жизни, например в стаи птиц, косяки рыб, стадами животных, а также в толпе и автомобильном движении. Он также проявляется на микроскопическом уровне: в колониях бактерий, в анализах подвижности и в искусственных самоходные частицы.[1][2][3] Научное сообщество пытается понять универсальность этого явления. В частности, он интенсивно исследуется в статистическая физика и в области активное вещество. Опыты на животных,[4] биологические и синтезированные самоходные частицы, симуляции[5] и теории[6][7] параллельно проводятся исследования этих явлений. Одна из самых известных моделей, описывающих такое поведение, - это Модель Вичека представлен Тамаш Вичек и другие. в 1995 г.[8]

Коллективное поведение самоходных частиц[9]

Так же, как биологические системы в природе, самоходные частицы также реагируют на внешние градиенты и демонстрируют коллективное поведение. Микромоторы или наномоторы может взаимодействовать с самопроизвольными градиентами и проявлять школьное и отверженное поведение.[10] Например, Ибеле, и другие. продемонстрировали, что микродвигатели хлорида серебра в присутствии УФ-излучения взаимодействуют друг с другом в высоких концентрациях и образуют стайки.[11] Аналогичное поведение можно наблюдать и с микрочастицами диоксида титана.[12] Микрочастицы ортофосфата серебра демонстрируют переходы между школьным поведением и поведением исключения в ответ на аммиак, перекись водорода и УФ-свет.[13][14] Такое поведение можно использовать для создания логического элемента ИЛИ-НЕ, поскольку разные комбинации двух разных стимулов (аммиак и УФ-свет) генерируют разные выходные сигналы. Колебания между школьным обучением и поведением исключения также регулируются изменениями концентрации перекиси водорода.

Микродвигатели и наномоторы также могут преимущественно двигаться в направлении внешних химических градиентов, явление, определяемое как хемотаксис. Хемотаксис наблюдался в самоходных наностержнях Au-Pt, которые диффундируют к источнику перекиси водорода, когда их помещают в градиент химического вещества.[15] Микрочастицы кремнезема с привязанным к ним катализатором Граббса также перемещаются в сторону более высоких концентраций мономера.[16] Ферменты также ведут себя как наномоторы и мигрируют в области с более высокой концентрацией субстрата, что известно как хемотаксис ферментов.[17][18] Одно интересное использование фермента наномотор хемотаксис - это разделение активных и неактивных ферментов в микрофлюидных каналах.[19] Другой - исследование метаболон образование путем изучения скоординированного движения первых четырех ферментов каскада гликолиза: гексокиназы, фосфоглюкозоизомеразы, фосфофруктокиназы и альдолазы.[20][21] Совсем недавно покрытые ферментом частицы показали аналогичное поведение в градиентах реагентов в микрофлюидных каналах.[22] В целом хемотаксис биологических и синтезированных самоходные частицы обеспечивает способ направления движения на микромасштабе и может использоваться для доставки лекарств, зондирования, лаборатория на кристалле устройства и другие приложения.[23]

Смотрите также

Заметки

  1. ^ Палаччи, Джереми; Саканна, Стефано; Стейнберг, Ашер Преска; Пайн, Дэвид Дж .; Чайкин, Пол М. (2013). «Живые кристаллы светоактивированных коллоидных серферов». Наука. 339 (6122): 936–940. Bibcode:2013Наука ... 339..936П. Дои:10.1126 / science.1230020. PMID  23371555. S2CID  1974474.
  2. ^ Theurkauff, I .; Cottin-Bizonne, C .; Palacci, J .; Ybert, C .; Боке, Л. (2012). «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. S2CID  4890068.
  3. ^ Buttinoni, I .; Bialké, J .; Kümmel, F .; Löwen, H .; Bechinger, C .; Спек, Т. (2013). «Динамическая кластеризация и фазовое разделение в суспензиях самоходных коллоидных частиц». Письма с физическими проверками. 110 (23): 238301. arXiv:1305.4185. Bibcode:2013ПхРвЛ.110в8301Б. Дои:10.1103 / Physrevlett.110.238301. PMID  25167534. S2CID  17127522.
  4. ^ Федер, Тони (2007). «Статистическая физика для птиц». Физика сегодня. 60 (10): 28–30. Bibcode:2007ФТ .... 60ж..28Ф. Дои:10.1063/1.2800090.
  5. ^ Грегуар, Гийом; Chaté, Hugues (15 января 2004 г.). «Начало коллективного и сплоченного движения». Письма с физическими проверками. 92 (2): 025702. arXiv:cond-mat / 0401208. Bibcode:2004PhRvL..92b5702G. Дои: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". Письма с физическими проверками. 75 (23): 4326–4329. Bibcode:1995ПхРвЛ..75.4326Т. Дои:10.1103 / PhysRevLett.75.4326. PMID  10059876.
  7. ^ Chaté, H .; Ginelli, F .; Grégoire, G .; Peruani, F .; Рейно, Ф. (11 июля 2008 г.). «Моделирование коллективного движения: варианты модели Вичека». Европейский физический журнал B. 64 (3–4): 451–456. Bibcode:2008EPJB ... 64..451C. Дои:10.1140 / epjb / e2008-00275-9. ISSN  1434-6028. S2CID  49363896.
  8. ^ Vicsek, T .; 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. S2CID  15918052.
  9. ^ Альтемоза, А; Сен, А. (2018). Коллективное поведение искусственных микропловцов в ответ на условия окружающей среды. Королевское химическое общество. С. 250–283. ISBN  9781788011662.
  10. ^ Wang, W .; Duan, W .; Ахмед, S .; Mallouk, T .; Сен А. (2013). «Малая мощность: автономные нано- и микродвигатели, приводимые в движение самогенерируемыми градиентами». NanoToday. 8 (5): 531. Дои:10.1016 / j.nantod.2013.08.009.
  11. ^ Ibele, M .; Mallouk, T .; Сен, А. (2009). «Обучение поведению автономных микромоторов со световым приводом в воде». Angewandte Chemie International Edition. 48 (18): 3308–12. Дои:10.1002 / anie.200804704. PMID  19338004.
  12. ^ Hong, Y .; Diaz, M .; Córdova-Figueroa, U .; Сен, А. (2010). «Реверсивные микрофейерверки на основе диоксида титана и микромоторные / микронасосные системы». Современные функциональные материалы. 20 (10): 1568. Дои:10.1002 / adfm.201000063.
  13. ^ Duan, W .; Liu, R .; Сен А. (2013). «Переход между коллективным поведением микромоторов в ответ на различные стимулы». Журнал Американского химического общества. 135 (4): 1280–3. Дои:10.1021 / ja3120357. PMID  23301622.
  14. ^ Altemose, A .; Санчес-Фарран, М. А .; Duan, W .; Schulz, S .; Borhan, A .; Crespi, V.H .; Сен, А. (2017). «Химически контролируемые пространственно-временные колебания коллоидных ансамблей». Angewandte Chemie International Edition. 56 (27): 7817–7821. Дои:10.1002 / anie.201703239. PMID  28493638.
  15. ^ Hong, Y .; Блэкманн, НМК; Копп, Н.Д .; Sen, A .; Велегол, Д. (2007). «Хемотаксис небиологических коллоидных палочек». Письма с физическими проверками. 99 (17): 178103. Bibcode:2007PhRvL..99q8103H. Дои:10.1103 / Physrevlett.99.178103. PMID  17995374.
  16. ^ Равлик, РА .; Sengupta, S .; McFadden, T .; Zhang, H .; Сен, А. (2011). «Двигатель с приводом от полимеризации». Angewandte Chemie International Edition. 50 (40): 9374–7. Дои:10.1002 / anie.201103565. PMID  21948434.
  17. ^ Sengupta, S .; Дей, К.К .; Муддана, HS .; Tabouillot, T .; Ibele, M .; Butler, PJ .; Сен А. (2013). «Ферментные молекулы как наномоторы». Журнал Американского химического общества. 135 (4): 1406–14. Дои:10.1021 / ja3091615. PMID  23308365.
  18. ^ Мохаджерани, Фарзад; Чжао, Си; Сомасундар, Амбика; Велегол, Даррелл; Сен, Аюсман (30.10.2018). «Теория хемотаксиса ферментов: от экспериментов к моделированию». Биохимия. 57 (43): 6256–6263. arXiv:1809.02530. Дои:10.1021 / acs.biochem.8b00801. ISSN  0006-2960. PMID  30251529.
  19. ^ Дей, Кришна Канти; Дас, Самбита; Пойтон, Мэтью Ф .; Сенгупта, Самудра; Батлер, Питер Дж .; Cremer, Paul S .; Сен, Аюсман (2014). «Хемотаксическое разделение ферментов». САУ Нано. 8 (12): 11941–11949. Дои:10.1021 / nn504418u. ISSN  1936-0851. PMID  25243599.
  20. ^ Чжао, Си; Палаччи, Анри; Ядав, Винита; Spiering, Michelle M .; Гилсон, Майкл К .; Батлер, Питер Дж .; Гесс, Генри; Бенкович, Стивен Дж .; Сен, Аюсман (2018). «Субстрат-управляемая хемотаксическая сборка в ферментном каскаде». Химия природы. 10 (3): 311–317. Bibcode:2018НатЧ..10..311Z. Дои:10.1038 / nchem.2905. ISSN  1755-4330. PMID  29461522.
  21. ^ Метаболоны и супрамолекулярные ферментные сборки. Академическая пресса. 2019-02-19. ISBN  9780128170755.
  22. ^ Дей, Кришна К .; Чжао, Си; Танси, Бенджамин М .; Méndez-Ortiz, Wilfredo J .; Córdova-Figueroa, Ubaldo M .; Голестанян, Рамин; Сен, Аюсман (30 ноября 2015 г.). «Микромоторы с ферментным катализом». Нано буквы. 15 (12): 8311–8315. Bibcode:2015НаноЛ..15.8311Д. Дои:10.1021 / acs.nanolett.5b03935. ISSN  1530-6984. PMID  26587897.
  23. ^ Чжао, Си; Джентиле, Кайла; Мохаджерани, Фарзад; Сен, Аюсман (2018-10-16). «Энергия движения с ферментами». Отчеты о химических исследованиях. 51 (10): 2373–2381. Дои:10.1021 / acs.accounts.8b00286. ISSN  0001-4842. PMID  30256612.

Дальнейшие ссылки

внешние ссылки