✖


Jump to content

Кластеризация самодвижущихся частиц

    Add links

    Многие экспериментальные реализации самодвижущихся частиц демонстрируют сильную тенденцию к агрегированию и образованию кластеров . [1] [2] [3] [4] [5] динамика которых значительно богаче динамики пассивных коллоидов. Эти агрегаты частиц образуются по разным причинам: от химических градиентов до магнитных и ультразвуковых полей. [6] Самоходные ферментные моторы и синтетические наномоторы также демонстрируют эффекты кластеризации в форме хемотаксиса. Хемотаксис - это форма коллективного движения биологических или небиологических частиц к источнику топлива или от угрозы, как это наблюдается экспериментально при диффузии ферментов. [7] [8] [9] а также синтетический хемотаксис [10] [11] [12] или фототаксис. [12] Помимо необратимого стайного обучения, самодвижущиеся частицы также демонстрируют обратимое коллективное движение, такое как поведение хищник-жертва, а также колебательную кластеризацию и рассеивание. [13] [14] [15] [16] [17]

    Феноменология

    [ редактировать ]

    Такое поведение кластеризации наблюдалось для самодвижущихся частиц Януса , либо частиц золота с платиновым покрытием. [1] или шарики диоксида кремния с углеродным покрытием, [2] и для частиц с магнитным или ультразвуковым приводом. [5] [6] Кластеризация также наблюдалась для коллоидных частиц, состоящих из встроенного гематита . куба [3] или медленно диффундирующие ионы металлов . [4] [13] [14] [15] [16] Автономная агрегация наблюдалась также в частицах анатаза TiO 2 ( диоксида титана ). [18] Кластеризация также происходит при диффузии молекул ферментов. [7] [8] [9] [19] Недавно было обнаружено, что такие ферменты, как гексокиназа и щелочная фосфатаза, агрегируют в присутствии их субстратов. [20] Во всех этих экспериментах движение частиц происходит по двумерной поверхности, а кластеризация наблюдается при долях площади всего 10%. Для таких малых фракций площади кластеры имеют конечный средний размер. [1] в то время как при более крупных фракциях площади (30% и выше) сообщалось о полном разделении фаз. [2] Динамика кластеров конечного размера очень богата: они демонстрируют либо кристаллический порядок, либо аморфную упаковку. Конечный размер кластеров обусловлен балансом между присоединением новых частиц к уже существующим кластерам и распадом больших кластеров на более мелкие, что привело к появлению термина «живые кластеры». [3] [4] [13] [14] [15] [16]

    Механизм для синтетических систем

    [ редактировать ]

    Точный механизм, приводящий к появлению кластеров, до конца не выяснен и является текущей областью исследований многих систем. [21] Было предложено несколько различных механизмов, которые могут действовать в разных экспериментальных установках.

    Самодвижущиеся частицы могут накапливаться в области пространства, где они движутся с пониженной скоростью. [22] После накопления в областях с высокой плотностью частиц частицы движутся медленнее из-за стерических затруднений. Обратная связь между этими двумя механизмами может привести к так называемому разделению фаз, индуцированному подвижностью. [23] Однако это фазовое разделение может быть остановлено химически обусловленными моментами между частицами. [24] или гидродинамические взаимодействия, [25] [26] что могло бы объяснить образование кластеров конечного размера.

    Альтернативно, кластеризация и фазовое разделение могут быть связаны с наличием сил притяжения между частицами, как в равновесных суспензиях. Тогда активные силы будут противодействовать этому разделению фаз, разрывая частицы в кластере. [27] [28] следующие два основных процесса. Во-первых, отдельные частицы могут существовать независимо, если их движущие силы достаточны, чтобы вырваться из скопления. Во-вторых, большой кластер может разбиться на более мелкие части из-за нарастания внутреннего напряжения: по мере того, как в кластер попадает все больше и больше частиц, их движущие силы складываются, пока не разрушат его сцепление.

    Диффузиофорез также является часто упоминаемым механизмом кластеризации и коллективного поведения, включающим притяжение или отталкивание частиц друг к другу в ответ на ионные градиенты. [4] [13] [14] [15] [16] Диффузиофорез — это процесс, включающий градиенты концентраций электролитов или неэлектролитов, взаимодействующих с заряженными (электрофоретические взаимодействия) или нейтральными (хемофоретические взаимодействия) частицами в растворе и с двойным слоем любых стенок или поверхностей (электросмотические взаимодействия). [15] [16]

    В экспериментах были выдвинуты аргументы в пользу любого из вышеперечисленных механизмов. Для шариков кремнезема с углеродным покрытием взаимодействия притяжения кажутся незначительными, а фазовое разделение действительно наблюдается при больших плотностях. [2] Однако для других экспериментальных систем силы притяжения часто играют более важную роль. [1] [3] [15] [16]

    См. также

    [ редактировать ]

    Ссылки

    [ редактировать ]
    1. ^ Перейти обратно: а б с д Теркауф, И.; Коттен-Бизон, К.; Палаччи, Дж.; Иберт, К.; Боке, Л. (26 июня 2012 г.). «Динамическая кластеризация в активных коллоидных суспензиях с химической передачей сигналов». Письма о физических отзывах . 108 (26): 268303. arXiv : 1202.6264 . Бибкод : 2012PhRvL.108z8303T . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.268303 . ПМИД   23005020 . S2CID   4890068 .
    2. ^ Перейти обратно: а б с д Буттинони, Иво; Бялке, Джулиан; Кюммель, Феликс; Лёвен, Хартмут ; Бехингер, Клеменс; Спек, Томас (5 июня 2013 г.). «Динамическая кластеризация и фазовое разделение в суспензиях самодвижущихся коллоидных частиц». Письма о физических отзывах . 110 (23): 238301. arXiv : 1305.4185 . Бибкод : 2013PhRvL.110w8301B . doi : 10.1103/PhysRevLett.110.238301 . ПМИД   25167534 . S2CID   17127522 .
    3. ^ Перейти обратно: а б с д Палаччи, Джереми; Саканна, Стефано; Стейнберг, Ашер Преска; Пайн, Дэвид Дж.; Чайкин, Пол М. (31 января 2013 г.). «Живые кристаллы активируемых светом коллоидных серферов». Наука . 339 (6122): 936–40. Бибкод : 2013Sci...339..936P . дои : 10.1126/science.1230020 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   23371555 . S2CID   1974474 .
    4. ^ Перейти обратно: а б с д Ибеле, Майкл; Маллук, Томас Э.; Сен, Аюсман (20 апреля 2009 г.). «Обучающее поведение автономных микромоторов с легким питанием в воде». Ангеванде Хеми . 121 (18): 3358–3362. Бибкод : 2009АнгЧ.121.3358И . дои : 10.1002/ange.200804704 . ISSN   1521-3757 .
    5. ^ Перейти обратно: а б Каган, Дэниел; Баласубраманиан, Шанкар; Ван, Джозеф (10 января 2011 г.). «Химически вызванное скопление микрочастиц золота». Angewandte Chemie, международное издание . 50 (2): 503–506. дои : 10.1002/anie.201005078 . ISSN   1521-3773 . ПМИД   21140389 .
    6. ^ Перейти обратно: а б Ван, Вэй; Кастро, Луз Анжелика; Ойос, Маурисио; Маллук, Томас Э. (24 июля 2012 г.). «Автономное движение металлических микростержней, приводимое в движение ультразвуком» . АСУ Нано . 6 (7): 6122–6132. дои : 10.1021/nn301312z . ISSN   1936-0851 . ПМИД   22631222 .
    7. ^ Перейти обратно: а б Муддана, Хари С.; Сенгупта, Самудра; Маллук, Томас Э.; Сен, Аюсман; Батлер, Питер Дж. (24 февраля 2010 г.). «Субстратный катализ усиливает диффузию одного фермента» . Журнал Американского химического общества . 132 (7): 2110–2111. дои : 10.1021/ja908773a . ISSN   0002-7863 . ПМЦ   2832858 . ПМИД   20108965 .
    8. ^ Перейти обратно: а б Сенгупта, Самудра; Дей, Кришна К.; Муддана, Хари С.; Табуйо, Тристан; Ибеле, Майкл Э.; Батлер, Питер Дж.; Сен, Аюсман (30 января 2013 г.). «Молекулы ферментов как наномоторы». Журнал Американского химического общества . 135 (4): 1406–1414. дои : 10.1021/ja3091615 . ISSN   0002-7863 . ПМИД   23308365 .
    9. ^ Перейти обратно: а б Дей, Кришна Канти; Дас, Самбита; Пойтон, Мэтью Ф.; Сенгупта, Самудра; Батлер, Питер Дж.; Кремер, Пол С.; Сен, Аюсман (23 декабря 2014 г.). «Хемотаксическое разделение ферментов» . АСУ Нано . 8 (12): 11941–11949. дои : 10.1021/nn504418u . ISSN   1936-0851 . ПМИД   25243599 .
    10. ^ Павлик, Райан А.; Сенгупта, Самудра; Макфадден, Тимоти; Чжан, Хуа; Сен, Аюсман (26 сентября 2011 г.). «Двигатель, работающий на полимеризации». Angewandte Chemie, международное издание . 50 (40): 9374–9377. дои : 10.1002/anie.201103565 . ISSN   1521-3773 . ПМИД   21948434 . S2CID   6325323 .
    11. ^ Хун, Иин; Блэкман, Николь МК; Копп, Натаниэль Д.; Сен, Аюсман; Велегол, Даррелл (26 октября 2007 г.). «Хемотаксис небиологических коллоидных палочек». Письма о физических отзывах . 99 (17): 178103. Бибкод : 2007PhRvL..99q8103H . doi : 10.1103/PhysRevLett.99.178103 . ПМИД   17995374 .
    12. ^ Перейти обратно: а б Чатурведи, Ниту; Хун, Иин; Сен, Аюсман; Велегол, Даррелл (4 мая 2010 г.). «Магнитное усиление фотокаталитических двигателей». Ленгмюр . 26 (9): 6308–6313. дои : 10.1021/la904133a . ISSN   0743-7463 . ПМИД   20102166 .
    13. ^ Перейти обратно: а б с д Хун, Иин; Диас, Мисаэль; Кордова-Фигероа, Убальдо М.; Сен, Аюсман (25 мая 2010 г.). «Световые обратимые микрофейерверки на основе диоксида титана и системы микромоторов / микронасосов». Передовые функциональные материалы . 20 (10): 1568–1576. дои : 10.1002/adfm.201000063 . ISSN   1616-3028 . S2CID   51990054 .
    14. ^ Перейти обратно: а б с д Ибеле, Майкл Э.; Ламмерт, Пол Э.; Креспи, Винсент Х.; Сен, Аюсман (24 августа 2010 г.). «Эмерджентные коллективные колебания самоподвижных частиц и узорчатых поверхностей в окислительно-восстановительных условиях» . АСУ Нано . 4 (8): 4845–4851. дои : 10.1021/nn101289p . ISSN   1936-0851 . ПМИД   20666369 .
    15. ^ Перейти обратно: а б с д и ж Дуань, Вэньтао; Лю, Ран; Сен, Аюсман (30 января 2013 г.). «Переход между коллективным поведением микромоторов в ответ на различные стимулы». Журнал Американского химического общества . 135 (4): 1280–1283. дои : 10.1021/ja3120357 . ISSN   0002-7863 . ПМИД   23301622 .
    16. ^ Перейти обратно: а б с д и ж Альтемосе, Алисия; Санчес-Фарран, Мария А.; Дуань, Вэньтао; Шульц, Стив; Борхан, Али; Креспи, Винсент Х.; Сен, Аюсман (2017). «Химически контролируемые пространственно-временные колебания коллоидных агрегатов». Энджью. хим. Межд. Эд . 56 (27): 7817–7821. дои : 10.1002/anie.201703239 . ПМИД   28493638 .
    17. ^ Чжан, Цзяньхуа; Ласкар, Абхраджит; Сун, Цзяци; Шкляев Олег Евгеньевич; Моу, Фанчжи; Гуань, Цзяньго; Балаж, Анна К.; Сен, Аюсман (10 января 2023 г.). «Световые, бестопливные колебания, миграция и обратимое манипулирование несколькими типами грузов с помощью роев микромоторов» . АСУ Нано . 17 (1): 251–262. дои : 10.1021/acsnano.2c07266 . ISSN   1936-0851 . ПМИД   36321936 . S2CID   253257444 .
    18. ^ Чжан, Цзяньхуа; Сун, Цзяци; Моу, Фанчжи; Гуань, Цзяньго; Сен, Аюсман (26 февраля 2021 г.). «Микро/наномоторы на основе диоксида титана: принципы проектирования, биомиметическое коллективное поведение и применение» . Тенденции в химии . 3 (5): 387–401. дои : 10.1016/j.trechm.2021.02.001 . ISSN   2589-5974 .
    19. ^ Чжао, Си; Палаччи, Анри; Ядав, Винита; Спиринг, Мишель М.; Гилсон, Майкл К.; Батлер, Питер Дж.; Гесс, Генри; Бенкович, Стивен Дж.; Сен, Аюсман (18 декабря 2017 г.). «Хемотаксическая сборка, управляемая субстратом, в ферментном каскаде». Природная химия . 10 (3): 311–317. Бибкод : 2018НатЧ..10..311З . дои : 10.1038/nchem.2905 . ISSN   1755-4330 . ПМИД   29461522 .
    20. ^ Джентиле, Кайла; Бхиде, Ашлеша; Кауфман, Джошуа; Гош, Субхадип; Маити, Субхабрата; Адэр, Джеймс; Ли, Тэ Хи; Сен, Аюсман (22 сентября 2021 г.). «Агрегация и фрагментация ферментов, индуцированные катализом соответствующих видов» . Физическая химия Химическая физика . 23 (36): 20709–20717. Бибкод : 2021PCCP...2320709G . дои : 10.1039/D1CP02966E . ISSN   1463-9084 . ПМИД   34516596 . S2CID   237507756 .
    21. ^ Болл, Филип (11 декабря 2013 г.). «В центре внимания: явления кластеризации частиц вызывают множество объяснений» . Физика . 6 : 134. doi : 10.1103/физика.6.134 . Проверено 22 сентября 2015 г.
    22. ^ Шнитцер, Марк Дж. (1 октября 1993 г.). «Теория случайных блужданий в континууме и ее применение к хемотаксису». Физический обзор E . 48 (4): 2553–2568. Бибкод : 1993PhRvE..48.2553S . дои : 10.1103/PhysRevE.48.2553 . ПМИД   9960890 .
    23. ^ Кейтс, Майкл Э.; Тайлер, Жюльен (1 января 2015 г.). «Разделение фаз, вызванное подвижностью». Ежегодный обзор физики конденсированного состояния . 6 (1): 219–244. arXiv : 1406.3533 . Бибкод : 2015ARCMP...6..219C . doi : 10.1146/annurev-conmatphys-031214-014710 . S2CID   15672131 .
    24. ^ Пол, Оливер; Старк, Хольгер (10 июня 2014 г.). «Динамическая кластеризация и хемотаксический коллапс самофоретических активных частиц». Письма о физических отзывах . 112 (23): 238303. arXiv : 1403.4063 . Бибкод : 2014PhRvL.112w8303P . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.238303 . ПМИД   24972234 . S2CID   15305058 .
    25. ^ Матас-Наварро, Рикар; Голестанян, Рамин; Ливерпуль, Танниемола Б.; Филдинг, Сюзанна М. (18 сентября 2014 г.). «Гидродинамическое подавление фазового разделения в активных суспензиях». Физический обзор E . 90 (3): 032304. arXiv : 1210.5464 . Бибкод : 2014PhRvE..90c2304M . дои : 10.1103/PhysRevE.90.032304 . ПМИД   25314443 . S2CID   34233710 .
    26. ^ Зеттль, Андреас; Старк, Хольгер (18 марта 2014 г.). «Гидродинамика определяет коллективное движение и фазовое поведение активных коллоидов в квазидвумерном удержании». Письма о физических отзывах . 112 (11): 118101. arXiv : 1309.4352 . Бибкод : 2014PhRvL.112k8101Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.118101 . ПМИД   24702421 . S2CID   12399192 .
    27. ^ Реднер, Габриэль С.; Баскаран, Апарна; Хаган, Майкл Ф. (26 июля 2013 г.). «Возвратное фазовое поведение в активных коллоидах с притяжением». Физический обзор E . 88 (1): 012305. arXiv : 1303.3195 . Бибкод : 2013PhRvE..88a2305R . дои : 10.1103/PhysRevE.88.012305 . ПМИД   23944461 . S2CID   6919624 .
    28. ^ Могнетти, Б.М.; Шарич, А.; Анджолетти-Уберти, С.; Каччуто, А.; Валериани, К.; Френкель, Д. (11 декабря 2013 г.). «Живые кластеры и кристаллы из суспензий активных коллоидов низкой плотности». Письма о физических отзывах . 111 (24): 245702. arXiv : 1311.4681 . Бибкод : 2013PhRvL.111x5702M . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.245702 . ПМИД   24483677 . S2CID   46111375 .
    Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Clustering_of_self-propelled_particles&oldid=1218550452"
    Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
    Arc.Ask3.Ru
    Номер скриншота №: 79eb04883a3289dc2d46df7bb662f685__1712910540
    URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/79/85/79eb04883a3289dc2d46df7bb662f685.html
    Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
    Clustering of self-propelled particles - Wikipedia
    Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)