Zwermen spreeuwen die oogverblindende patronen aan de hemel produceren, zijn natuurlijke voorbeelden van actieve materie - groepen individuele agenten die samenkomen om een ​​collectieve dynamiek te creëren. In een studie op de omslag van het 6 maart nummer van het tijdschrift Wetenschap , een team van onderzoekers, waaronder natuurkundigen van de Brown University, onthult nieuwe inzichten in wat er gebeurt in actieve materiesystemen.

Het onderzoek beschrijft experimenten met een driedimensionale actieve nematic. Nematic beschrijft een toestand van materie die naar voren komt in het soort vloeibare kristallen dat veel wordt gebruikt in smartphone- en televisieschermen. De sigaarvormige moleculen in vloeibare kristallen kunnen bewegen als in een vloeistof, maar hebben de neiging om min of meer in dezelfde richting geordend te blijven, een beetje zoals een kristal.

In een normaal vloeibaar kristal, de moleculen zijn passief, wat betekent dat ze niet het vermogen hebben om zichzelf voort te stuwen. Maar het systeem dat betrokken is bij deze nieuwe studie vervangt die passieve moleculen door kleine bundels microtubuli, elk met het vermogen om brandstof te verbruiken en zichzelf voort te stuwen. Het doel van het onderzoek was om te bestuderen hoe die actieve elementen de volgorde van het systeem beïnvloeden.

"Deze microtubuli hebben de neiging om uit te lijnen, maar vernietig ook voortdurend hun eigen afstemmingsorde met hun beweging, " zei co-auteur van de studie, Daniel Beller, een assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Californië, Merced, die aan het onderzoek begon te werken terwijl hij een postdoctoraal onderzoeker was bij Brown. "Dus er zijn collectieve bewegingen die defecten in de uitlijning veroorzaken, en dat is wat we hier studeren."

Naarmate het systeem evolueert, de gebreken lijken in zekere zin tot leven te komen, lijnen maken, lussen en andere structuren die door het systeem kronkelen. De onderzoekers bestudeerden de structuren met behulp van topologie, een tak van wiskunde die zich bezighoudt met hoe dingen vervormen zonder te breken.

"Als het je doel is om de dynamiek van deze systemen te begrijpen, dan is een manier om dat te doen, je te concentreren op deze opkomende topologische structuren als een manier om de dynamiek te karakteriseren, " zei Robert Pelcovits, een professor in de natuurkunde aan Brown en een co-auteur van een studie. "Als we uit dit eenvoudige systeem leidende principes kunnen halen, dat zou ons kunnen helpen bij het begrijpen van meer gecompliceerde."

beller, Pelcovits en Thomas Powers, een professor in techniek en natuurkunde aan Brown, leidde het theoretische werk voor de studie. Het experimentele werk werd uitgevoerd door onderzoekers van de Brandeis University en de University of California, Santa Barbara. Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Dynamiek en Zelforganisatie, de Universiteit van Chicago, Brandeis en de Technische Universiteit Eindhoven droegen expertise in op het gebied van computermodellering.

Dit soort werk was gedaan in tweedimensionale systemen, maar dit is de eerste keer dat een 3D-systeem op deze manier is bestudeerd. Het onderzoek toonde aan dat de dominante topologische structuren in het systeem lusstructuren waren die spontaan ontstaan, uitbreiden en vervolgens zelfvernietigen.

De lussen zijn gerelateerd aan de soorten defecten die naar voren komen in beter bestudeerde 2D-systemen, maar ze verschillen op een belangrijke manier, zeggen de onderzoekers. in 2D, defecten ontstaan ​​in paren van punten die tegengestelde kenmerken of "ladingen, een beetje zoals deeltjes en antideeltjes. Als ze eenmaal gevormd zijn, ze bestaan ​​totdat ze uiteindelijk een defect tegenkomen met de tegenovergestelde lading, waardoor ze worden vernietigd.

De lussen die zich in 3D vormen, in tegenstelling tot, hebben geen lading. Als resultaat, ze vormen en vernietigen allemaal op zichzelf. Ze zijn nog steeds gerelateerd aan de 2-D defectstructuren, echter. In feite, de 3D-lussen kunnen worden gezien als uitbreidingen van 2D-puntdefecten. Stel je twee puntdefecten voor die op een 2D-oppervlak zitten. Verbind nu die twee punten met een boog die oprijst uit het 2D-oppervlak, en een tweede boog aan de onderkant van het oppervlak. Het resultaat is een lus die beide ladingen van de punten heeft, maar is zelf ladingsneutraal. Dat maakt nucleatie en vernietiging op zichzelf mogelijk.

De onderzoekers hopen dat dit nieuwe begrip van de dynamiek van dit systeem toepasbaar zal zijn in echte systemen zoals bacteriekolonies, structuren en systemen in het menselijk lichaam, of andere systemen.

"Wat we hier vonden, is een vrij algemene reeks gedragingen waarvan we denken dat ze volledig aanwezig zullen zijn in vergelijkbare systemen die de neiging hebben om op één lijn te komen, maar die ook opgeslagen energie in beweging zetten, ' zei Beller.