Kollektiv rörelse

Kollektiv rörelse definieras som den spontana uppkomsten av ordnad rörelse i ett system som består av många självgående agenter . Den kan observeras i vardagen, till exempel i fågelflockar , fiskstim , djurflockar och även i folkmassor och biltrafik. Det förekommer också på mikroskopisk nivå: i kolonier av bakterier, motilitetsanalyser och artificiella självgående partiklar . Det vetenskapliga samfundet försöker förstå universaliteten i detta fenomen. I synnerhet undersöks det intensivt inom statistisk fysik och inom området aktiv materia . Experiment på djur, biologiska och syntetiserade självgående partiklar, simuleringar och teorier genomförs parallellt för att studera dessa fenomen. En av de mest kända modellerna som beskriver sådant beteende är Vicsek-modellen som introducerades av Tamás Vicsek et al. år 1995.

Kollektivt beteende hos självgående partiklar

Precis som biologiska system i naturen reagerar även självgående partiklar på yttre gradienter och visar kollektivt beteende. Mikromotorer eller nanomotorer kan interagera med självgenererade gradienter och uppvisa skolgång och uteslutningsbeteende. Till exempel, Ibele, et al. visade att silverkloridmikromotorer, i närvaro av UV-ljus, interagerar med varandra i höga koncentrationer och bildar skolor. Liknande beteende kan också observeras med titandioxidmikropartiklar. Silverortofosfatmikropartiklar uppvisar övergångar mellan skolgång och uteslutningsbeteenden som svar på ammoniak, väteperoxid och UV-ljus. Detta beteende kan användas för att designa en NOR-grind eftersom olika kombinationer av de två olika stimulierna (ammoniak och UV-ljus) genererar olika utsignaler. Svängningar mellan skolgång och uteslutningsbeteenden är också avstämbara via förändringar i väteperoxidkoncentrationen. Vätskeflödena som genereras av dessa svängningar är tillräckligt starka för att transportera last i mikroskala och kan till och med styra sammansättningen av tätpackade kolloidala kristallsystem.

Mikromotorer och nanomotorer kan också företrädesvis röra sig i riktning mot externt applicerade kemiska gradienter, ett fenomen som definieras som kemotaxi . Kemotaxi har observerats i självgående Au-Pt nanorods, som diffunderar mot källan till väteperoxid, när de placeras i en gradient av kemikalien. Kiseldioxidmikropartiklar med Grubbs-katalysator bunden till dem, rör sig också mot högre monomerkoncentrationer. Enzymer beter sig också som nanomotorer och migrerar mot regioner med högre substratkoncentration, vilket är känt som enzymkemotaxi. En intressant användning av enzym nanomotorkemotaxi är separationen av aktiva och inaktiva enzymer i mikrofluidkanaler. En annan är utforskningen av metabolonbildning genom att studera den samordnade rörelsen av de första fyra enzymerna i glykolyskaskaden: hexokinas, fosfoglukosisomeras, fosfofruktokinas och aldolas. På senare tid har enzymbelagda partiklar och enzymbelagda liposomer visat liknande beteende i gradienter av reaktanter i mikrofluidkanaler. I allmänhet ger kemotaxi av biologiska och syntetiserade självgående partiklar ett sätt att styra rörelse i mikroskalan och kan användas för läkemedelstillförsel, avkänning, lab-on-a-chip- enheter och andra applikationer.

Se även

• Bakterier kollektiv rörelse
• Kollektivt djurbeteende
• Kollektiv cellmigrering
• Mikrosimmare

Ytterligare referenser

•    Bricard, A.; Caussin, JB; Desreumaux, N.; Dauchot, O.; Bartolo, D. (2013). "Uppkomsten av makroskopisk riktad rörelse i populationer av rörliga kolloider" . Naturen . 503 (7474): 95–98. arXiv : 1311.2017 . Bibcode : 2013Natur.503...95B . doi : 10.1038/nature12673 . PMID 24201282 . S2CID 1174081 .
•   Vicsek, T.; Zafeiris, A. (2012). "Kollektiv rörelse" . Fysiska rapporter . 517 (3): 71–140. arXiv : 1010.5017 . Bibcode : 2012PhR...517...71V . doi : 10.1016/j.physrep.2012.03.004 . S2CID 119109873 .

externa länkar

• Fysiker samlas för att utforska mekaniken för kollektiv rörelse The Guardian , 13 januari 2014.