[論文レビュー] Quantitative characterization of chemorepulsive alignment-induced interactions in active emulsions

Babak Vajdi Hokmabad, Suropriya Saha+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2020

Micro and Nano Robotics参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、自己駆動する油滴が分泌する化学物質の痕跡によって閉じ込められ、自己化学走性相互作用を通じて集団的に閉じ込められる、アクティブエマルジョンにおける動的停止の新しいメカニズムを明らかにした。このメカニズムは、個々のエージェント-トレース衝突および集団スケールの両方で定量的に特徴付けられ、化学的反発的整列がアクティブマター系における長距離秩序と停止を引き起こす仕組みを示している。

ABSTRACT

The constituent elements of active matter in nature often communicate with their counterparts or the environment by chemical signaling which is central to many biological processes. Examples range from bacteria or sperm that bias their motion in response to an external chemical gradient, to collective cell migration in response to a self-generated gradient. Here, in a purely physicochemical system based on self-propelling oil droplets, we report a novel mechanism of dynamical arrest in active emulsions: swimmers are caged between each other's trails of secreted chemicals. We explore this mechanism quantitatively both on the scale of individual agent-trail collisions as well as on the collective scale where the transition to caging happens as a result of autochemotactic interactions.

研究の動機と目的

• 外部勾配が存在しない状況における、化学的シグナルがアクティブマター系の相互作用をどのように媒介するかを調査すること。
• 自己駆動する滴から生じる自己生成の化学的トレースによって引き起こされるアクティブエマルジョンにおける動的停止の発生を理解すること。
• 化学的反発的整列がアクティブドロイド系における集団的閉じ込め行動を誘発する役割を定量的に評価すること。
• 個々のエージェント-トレース相互作用と集団スケールの閉じ込め転移の間のギャップを埋めること。

提案手法

• 自己駆動する油滴を水相に分散させた物性化学系を用い、自己的化学的分泌を有するアクティブマターをモデル化すること。
• 個々の滴の軌道と化学的トレース分布を追跡し、エージェント-トレース衝突ダイナミクスを分析すること。
• 分泌された化学物質の濃度勾配から生じる化学的反発的整列力の定量的分析を実施すること。
• 滴の運動と局所的化学場の時間発展を結合することで、自己化学走性相互作用をモデル化すること。
• 滴の密度および分泌速度の関数として、自由運動から閉じ込めへの遷移点を測定すること。
• 統計的および空間的・時間的解析を用いて、化学的トレースの蓄積によって駆動される集団的閉じ込め転移を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己駆動する滴は、他の滴が分泌した化学的トレースとどのように相互作用するのか。このような衝突の結果は、何によって決定されるのか。
• RQ2 化学的反発的整列は、アクティブエマルジョンにおける長距離相互作用および集団的停止をどのように媒介するのか。
• RQ3 系は、個々のエージェント-トレースダイナミクスからどのように集団的閉じ込め行動へと転移するのか。
• RQ4 自己化学走性相互作用が動的停止を引き起こすための定量的条件は何か。

主な発見

• 個々の滴は、分泌された化学物質の濃度勾配によって化学的反発的整列力を受け、トレースの年齢や濃度に依存した deflect と衝突結果を示す。
• 複数の近隣のトレースに閉じ込められることで、安定で透過性のないクラスタが形成され、閉じ込めが発生する。
• 閉じ込めへの遷移は、滴の密度、分泌速度、および化学物質の拡散の相互作用によって支配され、シミュレーションおよび実験で臨界閾値が観察された。
• 自己化学走性相互作用は長距離秩序を誘発し、集団的運動を抑制することで、系全体としての動的停止を引き起こす。
• このメカニズムは、外部の化学勾配や生物学的成分を一切用いずに、純粋な物性化学系でも頑健かつ再現可能である。
• 定量的分析により、閉じ込めは空間的寸法の効果ではなく、化学的反発と化学的トレースに沿った整列によるものであることが確認された。