蠕動微管有助于理解活動缺陷和曲率的耦合

想象一下，一個小小的甜甜圈形狀的小滴，上面覆蓋著蠕動的蠕蟲。蠕蟲緊密地堆積在一起，它們必須在本地相互排列。在這種情況下，我們會說這些蠕蟲形成向列型液晶，一種類似于許多平板顯示器中使用的材料的有序相。

然而，由蠕蟲形成的向列相充滿了局部對齊丟失的微小區域 - 否則對齊的材料中的缺陷。此外，由于蠕蟲不斷移動并改變其配置，因此該向列相是活躍的并且遠非均衡。

在“ 自然物理學 ”雜志上發表的一項研究報告中，佐治亞理工學院和荷蘭萊頓大學的科學家們描述了在圓環狀環形表面上對這種活性向列相結合的理論和實驗研究的結果 -液滴。然而，研究人員沒有使用真正的蠕蟲，而是一種由柔性細絲組成的活動向列，覆蓋著微觀引擎，不斷將能量轉化為運動。

這種特殊的活性物質最初是在布蘭迪斯大學開發的，它借用了細胞機械的元素，成束細絲的棒狀微管，驅動蛋白作為發動機，以及ATP作為燃料。當這種活動與缺陷相結合時，缺陷“變得生動”，像游泳微生物一樣四處移動并探索空間 - 在這種情況下，探索環形液滴的表面。

通過研究這種活性向列覆蓋的環形液滴，研究人員證實了長期以來關于平衡液晶的理論預測，首先由Bowick，Nelson和Travesset討論[Phys.Rev。E 69,041102(2004)]，這種液滴的曲面上的向列缺陷將對局部曲率敏感。然而，由于在這項工作中使用的主動向列遠非均衡，研究人員還發現內部活動如何變化并豐富了期望。

喬治亞理工學院物理學院的研究生，該論文的第一作者佩里埃利斯說：“有人預測說缺陷對它們居住的空間非常敏感，特別是對于空間的曲率。” “圓環是調查這一點的好地方，因為圓環的外部，局部看起來像球體的部分，具有正曲率，而圓環的內部，看起來像馬鞍的部分，具有負曲率。”

“表征缺陷的數量就是我們所說的拓撲電荷或繞組數，”佐治亞理工學院物理學院教授，??該論文的另一位作者Alberto Fernandez-Nieves說。“它表達了向列液晶的排列方向隨著我們繞過缺陷而變化的方式。這種拓撲電荷是量子化的，這意味著它只能從離散集中獲取半數倍的值。”

在這些實驗中，每個缺陷的拓撲電荷為+1/2或-1/2。為了確定每個缺陷的電荷和位置，Ellis使用共焦顯微鏡隨時間觀察環形液滴，然后使用從計算機視覺中借鑒的技術分析所得到的視頻。研究人員發現，即使分子馬達驅動系統失去平衡，缺陷仍然能夠感知曲率，+1 / 2缺陷向正曲率區域遷移，-1 / 2缺陷向著曲率轉移。負曲率區域。

在這項新工作中，科學家向前邁出了一步，了解如何控制和引導有序材料中的缺陷。

“我們已經了解到，我們可以利用底層基板的曲率來控制和引導部分有序的活性物質，”Fernandez-Nieves說。“這項工作為研究這些材料中的缺陷如何排列在不具有恒定曲率的表面上提供了機會。這為使用曲率控制活性物質打開了大門。”

該研究的一個意外發現是，缺陷的不斷運動導致平均拓撲電荷變得連續，不再僅采用半數倍的值。

“在我們實驗的主動極限中，我們發現拓撲電荷變成了一個連續的變量，現在可以承擔任何價值，”Fernandez-Nieves說。“這讓人聯想到許多量子系統在高溫下會發生什么，其中可訪問狀態和相關變量的量子離散性質會丟失。

該系統不是以量化特性為特征，而是以連續屬性為特征。“

埃利斯對液滴的觀察與荷蘭萊頓大學理論物理研究所的洛克斯·洛米茲助理教授和博士后研究員丹尼爾·皮爾斯的數值模擬結果相當。

“我們的理論模型幫助我們破譯了實驗結果并完全理解了控制缺陷運動的物理機制，”皮爾斯說，“但也讓我們超越了目前的實驗證據。” 添加Giomi：“活動改變了缺陷和曲率之間相互作用的性質。在弱活躍系統中，缺陷被類似符號高斯曲率的區域所吸引。但在強活躍系統中，這種效應變得不那么相關，缺陷表現為持久隨機 - 行人被關在一個封閉而不均勻的空間里。“

有許多由內部活動驅動的主動系統的例子，包括游泳微生物，鳥群，機器人群和交通流。“活動材料無處不在，所以我們的結果并不僅僅局限于環形系統，”埃利斯補充道。“你可以在任何有缺陷的活動系統中看到相同的行為。”

該研究為未來活性流體的工作奠定了基礎。“我們的研究結果引入了一個探索活性流體力學性質的新框架，并表明部分有序的活性物質可以通過底層基質內在幾何形狀的梯度來引導和控制，”作者在他們的論文摘要中寫道。