[論文レビュー] Chemotactic motility-induced phase separation

Hongbo Zhao, Andrej Košmrlj+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2023

Micro and Nano Robotics被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、活性物質における運動誘発相分離（MIPS）と走化性を統合した理論的枠組みを提示し、走化性がMIPSのダイナミクスを抑制・停止・根本的に変化させることを示している。Cahn-Hilliard型連続体モデルに走化性フラックスを追加することで、クラスタリング（MIPS）と分散（走化性）の競合を分析し、主に縮小された走化性ペクレ数によって制御されることを明らかにした。これにより、相分離が抑制されたり、新たな不安定性に置き換えられたりする条件が特定された。

ABSTRACT

Collectives of actively-moving particles can spontaneously separate into dilute and dense phases -- a fascinating phenomenon known as motility-induced phase separation (MIPS). MIPS is well-studied for randomly-moving particles with no directional bias. However, many forms of active matter exhibit collective chemotaxis, directed motion along a chemical gradient that the constituent particles can generate themselves. Here, using theory and simulations, we demonstrate that collective chemotaxis strongly competes with MIPS -- in some cases, arresting or completely suppressing phase separation, or in other cases, generating fundamentally new dynamic instabilities. We establish quantitative principles describing this competition, thereby helping to reveal and clarify the rich physics underlying active matter systems that perform chemotaxis, ranging from cells to robots.

研究の動機と目的

• 運動誘発相分離（MIPS）を示す活性物質系の相挙動に、集団的走化性（自己生成化学勾配に沿った指向的運動）が与える影響を理解すること。
• 非平衡的粒子運動（方向性に偏りなし）によって駆動されるMIPSと、化学勾配に沿った指向的運動によって駆動される走化性という、活性物質における2つの代表的現象の間のギャップを埋めること。
• MIPSに起因するクラスタリングと走化性に起因する分散の間の競合を定量的に記述する理論的モデルを構築し、相分離の結果を予測可能にする。
• 特に縮小された走化性ペクレ数を含む次元なしパラメータを特定し、MIPSが抑制されたり停止されたり、あるいは新たなダイナミック不安定性に置き換えられる条件を解明すること。

提案手法

• Cahn-Hilliard方程式に基づく連続体モデルを構築し、活性拡산（MIPS）と走化性フラックス（χ₀φ∇f(ĉ)に比例）の2成分を有するフラックス項を導入することで、MIPSと走化性の両方を組み込んだ。
• 縮小された走化性ペクレ数、Pe′C ≡ −χ₀/(M₀φ₀∂ϕμ̃h) × (f′g)/(g′) を定義し、走化性とMIPSの有効な競合を定量化する主要制御パラメータとした。
• ダムコーラー数（Da）、効果的キモアトラクト剤の取り込み率と拡散率の比、および活性拡散率とキモアトラクト剤拡散率の比（α）といった次元なしパラメータを用いて、系の挙動を特徴づけた。
• パラメータ空間全域における数値シミュレーションを実施し、クラスタ形成、抑制、および振動的挙動を含む相分離ダイナミクスを探索した。
• 連続の方程式において走化性フラックスとMIPSに起因するフラックスをバランスさせることで、不安定性発生および相分離抑制の解析的基準を導出した。
• 実験系（例えば動く細菌や合成コロイド）からの推定値を用いて予測を検証し、Pe′C ≈ PeC·S/k が、キモアトラクト剤供給量に応じてMIPSが抑制されるかどうかを決定づけることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 集団的走化性が、活性物質系における運動誘発相分離（MIPS）と定量的にどのように競合するか。
• RQ2 走化性がMIPSを抑制または停止するのはどのような条件下か。この遷移を支配する次元なしパラメータは何か。
• RQ3 走化性は、標準的なMIPSモデルに存在しない新たな種類のダイナミック不安定性を誘発できるか。
• RQ4 キモアトラクト剤供給速度（S）と取り込みキネティクスが、相分離の発生を決定づける役割を果たすか。
• RQ5 活性拡散率（M₀）、走化性係数（χ₀）、キモアトラクト剤拡散率（Dc）の相対的な大きさが、系の挙動にどのように影響するか。

主な発見

• 縮小された走化性ペクレ数 Pe′C が十分に大きい場合、走化性はMIPSを完全に抑制することができる。特にキモアトラクト剤が豊富に供給される（Sが大きい）条件下で顕著である。
• キモアトラクト剤供給量が低い（Sが小さい）系ではMIPSが依然として発生するが、走化性の存在がダイナミクスを変化させ、停止した相分離や振動的クラスタ運動を引き起こす可能性がある。
• 合成走化性コロイドでは、自己駆動速度 U₀ または取り込み速度 k を調整することでダムコーラー数（Da）を制御でき、有限サイズの領域で振動的ダイナミクスにアクセス可能である。
• モデルは、動く細菌の集団が、Pe′C ≈ PeC·S/k が大きい場合にMIPS抑制の条件を満たすと予測しており、実験観察と整合的である。高濃度のキモアトラクト剤ではクラスタ形成が抑制される。
• MIPSと走化性の競合は、有効拡散率の比によって支配され、α ≈ M₀/Dc および Da ≈ κk/Dc であり、主要な制御パラメータは縮小された走化性ペクレ数 Pe′C である。
• シミュレーションでは、α₀ = 10 かつ Da₀ = 0.5 の場合に振動的ダイナミクスが出現し、走化性が単純な相分離をはるかに超えた複雑な非平衡パターンを駆動できることを示唆している。