[論文レビュー] Swimming in a Crystal: Hydrodynamic, Phoretic and Steric Interactions

Aidan T. Brown, Ioana D. Vladescu+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2014

Micro and Nano Robotics被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、2次元コロイド結晶内における触媒的ジャンススイマーと大腸菌の流体力学的、フォレッティックおよび空間的相互作用を調査する。ジャンススイマーは流体力学的相互作用により周期的な軌道速度の振動を示し、これが『プッシュャー』としての挙動を示唆する一方、大腸菌は結晶の閉じ込められた幾何学的構造では旋回できず、円運動から直線的な走行に移行する。

ABSTRACT

We study catalytic Janus swimmers and E. coli bacteria in a 2D colloidal crystal. The Janus swimmers orbit individual colloids and hop between colloids stochastically. Their orbital speed oscillates periodically. We show why swimming-associated phoretic gradients are unlikely to be the cause of these oscillations; instead, they are likely due to hydrodynamic interactions, and suggest that our swimmers are `pushers'. We find little evidence implicating hydrodynamic interactions in the stability of the orbital trapping itself. Motile E. coli bacteria behave very differently in the same colloidal crystal: their circular orbits on plain glass are rectified into long, straight runs, because the bacteria are unable to turn corners inside the crystal.

研究の動機と目的

• 2次元コロイド結晶内における触媒的ジャンススイマーの周期的軌道速度の振動の起源を理解すること。
• ジャンススイマーのダイナミクスにおいて、フォレッティック勾配と流体力学的相互作用のどちらが支配的であるかを特定すること。
• コロイド結晶内の幾何的閉じ込めが細菌の運動様式に与える影響を調査すること。
• 同様の構造的環境下におけるジャンススイマーと大腸菌の異なる運動様式を比較すること。
• 空間的、流体力学的、フォレッティック力が軌道捕獲の安定性に果たす役割を評価すること。

提案手法

• 2次元コロイド結晶格子内における触媒的ジャンススイマーと運動性大腸菌の実験的観察。
• 個々のスイマーおよび細菌の追跡により、軌道、速度、旋回行動を測定。
• 振動的ダイナミクスの分析により、フォレッティックと流体力学的要因の区別を図る。
• 平らなガラス面とコロイド結晶内での運動様式の比較により、整流効果を評価。
• 対称性および流れ場解析を用いて、ジャンススイマーのプッシュャー的挙動を推定。
• 特に格子頂点部における大腸菌の旋回制限を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コロイド結晶内におけるジャンススイマーの軌道速度の周期的振動は、何によって引き起こされるか？
• RQ2 フォレッティック勾配と流体力学的相互作用のうち、観察された振動の主因はどちらか？
• RQ3 流体力学的相互作用がコロイド周囲の軌道捕獲の安定性にどの程度寄与しているか？
• RQ4 コロイド結晶格子は、平面表面と比較して大腸菌の運動様式にどのように影響を与えるか？
• RQ5 なぜ大腸菌は結晶構造内において円運動から直線的軌道に移行するのか？

主な発見

• ジャンススイマーの軌道速度の周期的振動は、フォレッティック勾配によるものではなく、流体力学的相互作用に起因するものであると考えられる。
• 振動的ダイナミクスから導かれる流体力学的流れの特徴から、ジャンススイマーは『プッシュャー』と特定される。
• 流体力学的相互作用は軌道捕獲の安定性を顕著に高めないため、空間的または他の力が捕獲安定性を支配していると示唆される。
• 大腸菌はコロイド結晶内では角を曲げられず、円運動から長距離の直線的走行に移行する。
• 大腸菌の円運動から直線的走行への移行は、結晶格子内での幾何的閉じ込めの直接的結果である。
• 本研究は、人工的ジャンススイマーと生物学的細菌が構造的環境に対してどのように異なる反応を示すかという根本的な相違を示している。