Stel je een kleine donutvormige druppel voor, bedekt met kronkelende wormen. De wormen zijn zo dicht op elkaar gepakt dat ze plaatselijk ten opzichte van elkaar moeten liggen. In deze situatie, we zouden zeggen dat de wormen een nematisch vloeibaar kristal vormen, een geordende fase vergelijkbaar met de materialen die in veel flatpanel-displays worden gebruikt.

Echter, de nematische fase gevormd door de wormen is gevuld met kleine gebieden waar de lokale uitlijning verloren gaat - defecten in het anders uitgelijnde materiaal. In aanvulling, omdat de wormen constant in beweging zijn en hun configuratie veranderen, deze nematische fase is actief en verre van evenwicht.

In onderzoek gerapporteerd in het tijdschrift Natuurfysica , wetenschappers van het Georgia Institute of Technology en de Universiteit Leiden in Nederland hebben de resultaten beschreven van een gecombineerd theoretisch en experimenteel onderzoek van zo'n actieve nematica op het oppervlak van donutvormige - ringkern - druppeltjes. Echter, de onderzoekers gebruikten geen echte wormen, maar een actieve nematic die bestaat uit flexibele filamenten bedekt met microscopisch kleine motoren die constant energie in beweging omzetten.

Dit specifieke actieve materiaal, oorspronkelijk ontwikkeld aan de Brandeis University, leent elementen van cellulaire machines, met bundels staafachtige microtubuli die de filamenten vormen, kinesine-motoreiwitten die fungeren als de motoren, en ATP als brandstof. Wanneer deze activiteit wordt gecombineerd met defecten, de gebreken "tot leven komen, " bewegen als zwemmende micro-organismen en het verkennen van de ruimte - in dit geval, het verkennen van het oppervlak van de ringkerndruppels.

Door ringkerndruppels te bestuderen die onder deze actieve nematic vallen, de onderzoekers bevestigden een langdurige theoretische voorspelling over vloeibare kristallen bij evenwicht, eerst besproken door Bowick, Nelson en Travesset [Phys.Rev. E69, 041102 (2004)] dat nematische defecten op het gebogen oppervlak van dergelijke druppeltjes gevoelig zullen zijn voor de lokale kromming. Echter, aangezien de actieve nematica die in dit werk wordt gebruikt verre van evenwicht is, de onderzoekers ontdekten ook hoe de interne activiteit veranderde en verrijkten de verwachtingen.

"Er zijn voorspellingen geweest die zeggen dat defecten erg gevoelig zijn voor de ruimte die ze bewonen, specifiek voor de kromming van de ruimte, " zei Perry Ellis, een afgestudeerde student aan de Georgia Tech School of Physics en de eerste auteur van het artikel. "De torus is een geweldige plek om dit te onderzoeken, omdat de buitenkant van de torus, het deel dat plaatselijk op een bol lijkt, heeft een positieve kromming, terwijl het binnenste deel van een torus, het deel dat op een zadel lijkt, heeft een negatieve kromming."

"De hoeveelheid die een defect kenmerkt, is wat we de topologische lading of het opwindgetal noemen, " zei Alberto Fernandez-Nieves, een professor aan de Georgia Tech's School of Physics en een andere co-auteur van de paper. "Het drukt uit hoe de uitlijningsrichting van het nematische vloeibare kristal verandert als we om het defect heen gaan. Deze topologische lading wordt gekwantiseerd, wat betekent dat het alleen waarden kan aannemen uit een discrete verzameling die veelvouden zijn van de helft. "

Bij deze experimenten elk defect heeft een topologische lading van +1/2 of -1/2. Om de lading en de locatie van elk defect te bepalen, Ellis observeerde de ringkerndruppels in de loop van de tijd met behulp van een confocale microscoop en analyseerde vervolgens de resulterende video met behulp van technieken die zijn ontleend aan computervisie. De onderzoekers ontdekten dat zelfs met de moleculaire motoren die het systeem uit evenwicht brengen, de defecten waren nog steeds in staat om de kromming te voelen, waarbij de +1/2 defecten migreren naar het gebied van positieve kromming en de -1/2 defecten migreren naar het gebied van negatieve kromming.

In dit nieuwe werk de wetenschappers hebben een stap voorwaarts gezet om te begrijpen hoe defecten in een geordend materiaal kunnen worden gecontroleerd en geleid.

"We hebben geleerd dat we gedeeltelijk geordende actieve materie kunnen controleren en sturen met behulp van de kromming van het onderliggende substraat, " zei Fernandez-Nieves. "Dit werk opent mogelijkheden om te bestuderen hoe de defecten in deze materialen zich rangschikken op oppervlakken die geen constante kromming hebben. Dit opent de deur voor het beheersen van actieve materie met behulp van kromming."

Een onverwachte bevinding van het onderzoek was dat de constante beweging van de defecten ervoor zorgt dat de gemiddelde topologische lading continu wordt, niet langer alleen waarden aannemen die veelvouden zijn van de helft.

"In de actieve limiet van onze experimenten, we ontdekten dat de topologische lading een continue variabele wordt die nu elke waarde kan aannemen, " zei Fernandez-Nieves. "Dit doet denken aan wat er gebeurt met veel kwantumsystemen bij hoge temperatuur, waar het kwantum, het discrete karakter van de toegankelijke toestanden en bijbehorende variabelen gaat verloren.

In plaats van te worden gekenmerkt door gekwantiseerde eigenschappen, het systeem wordt gekenmerkt door continuümeigenschappen."

Ellis' waarnemingen van de druppeltjes kwamen goed overeen met die van numerieke simulaties gedaan door universitair docent Luca Giomi en postdoctoraal onderzoeker Daniel Pearce van het Instituut-Lorentz voor Theoretische Fysica aan de Universiteit Leiden in Nederland.

"Ons theoretische model heeft ons geholpen de experimentele resultaten te ontcijferen en het fysieke mechanisme dat de beweging van defecten regelt volledig te begrijpen, " zei Peerce, "maar stelde ons ook in staat verder te gaan dan het huidige experimentele bewijs." Giomi toegevoegd:"Activiteit verandert de aard van de interactie tussen defecten en kromming. In zwak actieve systemen, defecten worden aangetrokken door regio's met een soortgelijk teken Gauss-kromming. Maar in sterk actieve systemen, dit effect wordt minder relevant en defecten gedragen zich als persistente random-walkers opgesloten in een gesloten en inhomogene ruimte".

Er zijn veel voorbeelden van actieve systemen die worden aangedreven door interne activiteit, inclusief zwemmende micro-organismen, vogels, robotzwermen en verkeersstromen. "Actieve materialen zijn overal, dus onze resultaten zijn niet beperkt tot alleen dit systeem op een torus, " voegde Ellis toe. "Je zou hetzelfde gedrag kunnen zien in elk actief systeem met defecten."

Het onderzoek vormt de basis voor toekomstig werk in actieve vloeistoffen. "Onze resultaten introduceren een nieuw raamwerk om de mechanische eigenschappen van actieve vloeistoffen te onderzoeken en suggereren dat gedeeltelijk geordende actieve materie kan worden geleid en gecontroleerd via gradiënten in de intrinsieke geometrie van het onderliggende substraat, ' schreven de auteurs in een samenvatting van hun paper.