Коллективное движение
Коллективное движение определяется как спонтанное возникновение упорядоченного движения в системе, состоящей из множества самодвижущихся агентов . Его можно наблюдать в повседневной жизни, например, в стаях птиц , косяках рыб , стадах животных, а также в толпе и автомобильном движении. Он также проявляется на микроскопическом уровне: в колониях бактерий, пробах подвижности и искусственных самодвижущихся частицах . [1] [2] [3] Научное сообщество пытается понять универсальность этого явления. В частности, оно интенсивно исследуется в статистической физике и в области активной материи . Эксперименты на животных, [4] биологические и синтезированные самодвижущиеся частицы , моделирование [5] и теории [6] [7] параллельно проводятся исследования этих явлений. Одной из самых известных моделей, описывающих такое поведение, является модель Вичека, предложенная Тамашем Вичеком и др. в 1995 году. [8]
Коллективное поведение самодвижущихся частиц
[ редактировать ]Источник: [9]
Подобно биологическим системам в природе, самодвижущиеся частицы также реагируют на внешние градиенты и демонстрируют коллективное поведение. Микромоторы или наномоторы могут взаимодействовать с самогенерируемыми градиентами и проявлять поведение школьного обучения и исключения. [10] Например, Ибеле и др. продемонстрировали, что микромоторы из хлорида серебра в присутствии УФ-излучения взаимодействуют друг с другом при высоких концентрациях и образуют школы. [11] Аналогичное поведение можно наблюдать и с микрочастицами диоксида титана. [12] Микрочастицы ортофосфата серебра демонстрируют переходы между стайным поведением и поведением исключения в ответ на аммиак, перекись водорода и УФ-свет. [13] [14] Такое поведение можно использовать для разработки вентиля NOR, поскольку разные комбинации двух разных стимулов (аммиака и ультрафиолетового света) генерируют разные выходные данные. Колебания между школьным поведением и поведением исключения также можно настраивать с помощью изменений концентрации перекиси водорода. Потоки жидкости, генерируемые этими колебаниями, достаточно сильны, чтобы транспортировать микромасштабные грузы, и могут даже управлять сборкой плотноупакованных коллоидно-кристаллических систем. [15]
Микромоторы и наномоторы также могут двигаться преимущественно в направлении внешних химических градиентов — явление, определяемое как хемотаксис . Хемотаксис наблюдался в самодвижущихся наностержнях Au-Pt, которые диффундируют к источнику перекиси водорода, когда их помещают в градиент химического вещества. [16] Микрочастицы кремнезема с привязанным к ним катализатором Граббса также движутся в сторону более высоких концентраций мономера. [17] Ферменты также ведут себя как наномоторы и мигрируют к областям с более высокой концентрацией субстрата, что известно как хемотаксис ферментов. [18] [19] Одним из интересных применений ферментного наномоторного хемотаксиса является разделение активных и неактивных ферментов в микрофлюидных каналах. [20] Другой вариант — исследование образования метаболонов путем изучения скоординированного движения первых четырех ферментов каскада гликолиза: гексокиназы, фосфоглюкозоизомеразы, фосфофруктокиназы и альдолазы. [21] [22] Совсем недавно появились частицы, покрытые ферментами, и липосомы, покрытые ферментами. [23] показали аналогичное поведение в градиентах реагентов в микрофлюидных каналах. [24] В целом, хемотаксис биологических и синтезированных самодвижущихся частиц обеспечивает способ направления движения на микромасштабе и может использоваться для доставки лекарств, зондирования, создания лабораторных устройств на чипе и других приложений. [25]
См. также
[ редактировать ]- Коллективное движение бактерий
- Коллективное поведение животных
- Коллективная миграция клеток
- Микропловец
Примечания
[ редактировать ]- ^ Палаччи, Джереми; Саканна, Стефано; Стейнберг, Ашер Преска; Пайн, Дэвид Дж.; Чайкин, Пол М. (2013). «Живые кристаллы активируемых светом коллоидных серферов». Наука . 339 (6122): 936–940. Бибкод : 2013Sci...339..936P . дои : 10.1126/science.1230020 . ПМИД 23371555 . S2CID 1974474 .
- ^ Теркауф, И.; Коттен-Бизон, К.; Палаччи, Дж.; Иберт, К.; Боке, Л. (2012). «Динамическая кластеризация в активных коллоидных суспензиях с химической передачей сигналов». Письма о физических отзывах . 108 (26): 268303. arXiv : 1202.6264 . Бибкод : 2012PhRvL.108z8303T . дои : 10.1103/physrevlett.108.268303 . ПМИД 23005020 . S2CID 4890068 .
- ^ Буттинони, И.; Бялке, Дж.; Кюммель, Ф.; Лёвен, Х. ; Бехингер, К.; Спек, Т. (2013). «Динамическая кластеризация и фазовое разделение в суспензиях самодвижущихся коллоидных частиц». Письма о физических отзывах . 110 (23): 238301. arXiv : 1305.4185 . Бибкод : 2013PhRvL.110w8301B . дои : 10.1103/physrevlett.110.238301 . ПМИД 25167534 . S2CID 17127522 .
- ^ Федер, Тони (2007). «Статистическая физика – для птиц» . Физика сегодня . 60 (10): 28–30. Бибкод : 2007PhT....60j..28F . дои : 10.1063/1.2800090 .
- ^ Грегуар, Гийом; Шатэ, Хьюг (15 января 2004 г.). «Начало коллективного и сплоченного движения». Письма о физических отзывах . 92 (2): 025702. arXiv : cond-mat/0401208 . Бибкод : 2004PhRvL..92b5702G . doi : 10.1103/PhysRevLett.92.025702 . ПМИД 14753946 . S2CID 37159324 .
- ^ Тонер, Джон; Ту, Юхай (4 декабря 1995 г.). «Дальний порядок в двумерной динамической модели $\mathrm{XY}$: как птицы летают вместе». Письма о физических отзывах . 75 (23): 4326–4329. Бибкод : 1995PhRvL..75.4326T . doi : 10.1103/PhysRevLett.75.4326 . ПМИД 10059876 .
- ^ Шате, Х.; Джинелли, Ф.; Грегуар, Г.; Перуани, Ф.; Рейно, Ф. (11 июля 2008 г.). «Моделирование коллективного движения: вариации модели Вичека» (PDF) . Европейский физический журнал Б. 64 (3–4): 451–456. Бибкод : 2008EPJB...64..451C . дои : 10.1140/epjb/e2008-00275-9 . ISSN 1434-6028 . S2CID 49363896 .
- ^ Вичек, Т.; Чирок, А.; Бен-Джейкоб, Э.; Коэн, И.; Шошет, О. (1995). «Новый тип фазового перехода в системе самодвижущихся частиц». Письма о физических отзывах . 75 (6): 1226–1229. arXiv : cond-mat/0611743 . Бибкод : 1995PhRvL..75.1226V . дои : 10.1103/PhysRevLett.75.1226 . ПМИД 10060237 . S2CID 15918052 .
- ^ Альтемосе, А; Сен, А. (2018). Коллективное поведение искусственных микропловцов в ответ на условия окружающей среды . Королевское химическое общество. стр. 250–283. ISBN 9781788011662 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Ван, В.; Дуань, В.; Ахмед, С.; Маллук, Т.; Сен, А. (2013). «Малая мощность: автономные нано- и микродвигатели, приводимые в движение самогенерируемыми градиентами». Нано сегодня . 8 (5): 531. doi : 10.1016/j.nantod.2013.08.009 .
- ^ Ибеле, М.; Маллук, Т.; Сен, А. (2009). «Обучающее поведение легких автономных микромоторов в воде». Angewandte Chemie, международное издание . 48 (18): 3308–12. дои : 10.1002/anie.200804704 . ПМИД 19338004 .
- ^ Хонг, Ю.; Диас, М.; Кордова-Фигероа, США; Сен, А. (2010). «Световые обратимые микрофейерверки на основе диоксида титана и системы микромоторов / микронасосов». Передовые функциональные материалы . 20 (10): 1568. doi : 10.1002/adfm.201000063 . S2CID 51990054 .
- ^ Дуань, В.; Лю, Р.; 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 . ПМИД 23301622 .
- ^ Альтемосе, А.; Санчес-Фарран, Массачусетс; Дуань, В.; Шульц, С.; Борхан, А.; Креспи, В.Х.; Сен, А. (2017). «Химически управляемые пространственно-временные колебания коллоидных ансамблей» . Angewandte Chemie, международное издание . 56 (27): 7817–7821. дои : 10.1002/anie.201703239 . ПМИД 28493638 .
- ^ Альтемосе, Алисия; Харрис, Аарон Дж.; Сен, Аюсман (2020). «Автономное формирование и отжиг коллоидных кристаллов, индуцированный световыми колебаниями активных частиц» . ХимСистемыХим . 2 (1): e1900021. дои : 10.1002/syst.201900021 . ISSN 2570-4206 .
- ^ Хонг, Ю.; Блэкманн, НМК; Копп, Северная Дакота; Сен, А.; Велегол, Д. (2007). «Хемотаксис небиологических коллоидных палочек». Письма о физических отзывах . 99 (17): 178103. Бибкод : 2007PhRvL..99q8103H . дои : 10.1103/physrevlett.99.178103 . ПМИД 17995374 .
- ^ Равлик, РА; Сенгупта, С.; Макфадден, Т.; Чжан, Х.; Сен, А. (2011). «Двигатель, работающий на полимеризации». Angewandte Chemie, международное издание . 50 (40): 9374–7. дои : 10.1002/anie.201103565 . ПМИД 21948434 . S2CID 6325323 .
- ^ Сенгупта, С.; Дей, КК.; Муддана, HS.; Табуйо, Т.; Ибеле, М.; Батлер, ПиДжей; Сен, А. (2013). «Молекулы ферментов как наномоторы». Журнал Американского химического общества . 135 (4): 1406–14. дои : 10.1021/ja3091615 . ПМИД 23308365 .
- ^ Мохаджерани, Фарзад; Чжао, Си; Сомасундар, Амбика; Велегол, Даррелл; Сен, Аюсман (30 октября 2018 г.). «Теория ферментативного хемотаксиса: от экспериментов к моделированию». Биохимия . 57 (43): 6256–6263. arXiv : 1809.02530 . doi : 10.1021/acs.biochem.8b00801 . ISSN 0006-2960 . ПМИД 30251529 . S2CID 52816076 .
- ^ Дей, Кришна Канти; Дас, Самбита; Пойтон, Мэтью Ф.; Сенгупта, Самудра; Батлер, Питер Дж.; Кремер, Пол С.; Сен, Аюсман (2014). «Хемотаксическое разделение ферментов» . АСУ Нано . 8 (12): 11941–11949. дои : 10.1021/nn504418u . ISSN 1936-0851 . ПМИД 25243599 .
- ^ Чжао, Си; Палаччи, Анри; Ядав, Винита; Спиринг, Мишель М.; Гилсон, Майкл К.; Батлер, Питер Дж.; Гесс, Генри; Бенкович, Стивен Дж.; Сен, Аюсман (2018). «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 .
- ^ Метаболоны и супрамолекулярные ферментные сборки . Академическая пресса. 2019-02-19. ISBN 9780128170755 .
- ^ Сомасундар, Амбика; Гош, Субхадип; Мохаджерани, Фарзад; Массенбург, Линниция Н.; Ян, Тинглу; Кремер, Пол С.; Велегол, Даррелл; Сен, Аюсман (декабрь 2019 г.). «Положительный и отрицательный хемотаксис липосомальных моторов, покрытых ферментами» . Природные нанотехнологии . 14 (12): 1129–1134. Бибкод : 2019НатНа..14.1129С . дои : 10.1038/s41565-019-0578-8 . ISSN 1748-3395 . ПМИД 31740796 . S2CID 208168622 .
- ^ Дей, Кришна К.; Чжао, Си; Танси, Бенджамин М.; Мендес-Ортис, Вильфредо Х.; Кордова-Фигероа, Убальдо М.; Голестанян, Рамин; Сен, Аюсман (30 ноября 2015 г.). «Микромоторы, работающие на основе ферментативного катализа». Нано-буквы . 15 (12): 8311–8315. Бибкод : 2015NanoL..15.8311D . дои : 10.1021/acs.nanolett.5b03935 . ISSN 1530-6984 . ПМИД 26587897 .
- ^ Чжао, Си; Джентиле, Кайла; Мохаджерани, Фарзад; Сен, Аюсман (16 октября 2018 г.). «Приведение движения в действие с помощью ферментов». Отчеты о химических исследованиях . 51 (10): 2373–2381. дои : 10.1021/acs.accounts.8b00286 . ISSN 0001-4842 . ПМИД 30256612 . S2CID 52845451 .
Дальнейшие ссылки
[ редактировать ]- Брикар, А.; Коссен, Дж. Б.; Десрёмо, Н.; Дашо, О.; Бартоло, Д. (2013). «Появление макроскопического направленного движения в популяциях подвижных коллоидов» . Природа . 503 (7474): 95–98. arXiv : 1311.2017 . Бибкод : 2013Natur.503...95B . дои : 10.1038/nature12673 . ПМИД 24201282 . S2CID 1174081 .
- Вичек, Т.; Зафейрис, А. (2012). «Коллективное движение» . Отчеты по физике . 517 (3): 71–140. arXiv : 1010.5017 . Бибкод : 2012ФР...517...71В . дои : 10.1016/j.physrep.2012.03.004 . S2CID 119109873 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Физики собираются вместе, чтобы исследовать механику коллективного движения The Guardian , 13 января 2014 г.
| Биологическое роение |  | |
|---|---|---|
| Миграция животных | ||
| Роевые алгоритмы | ||
| Коллективное движение | ||
| Роевая робототехника | ||
| Связанные темы | ||