[논문 리뷰] From Clarkia to Escherichia and Janus: The physics of natural and synthetic active colloids

Wilson C. K. Poon|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 20.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 121인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 박테리아(*Escherichia coli* 등)와 합성 장우스 입자와 같은 자가 추진 입자를 중심으로 활성 콜로이드의 물리학에 대한 교육적 소개를 제공한다. 비열화된 브라운 운동과의 비교를 통해 활성 콜로이드의 비평형 역학을 다루며, 수영 속도 분포의 실험적 특성화를 강조하고, 운동성 박테리아를 배양하는 데 필요한 실용적 지침을 제공한다.

ABSTRACT

An active colloid is a suspension of particles that transduce free energy from their environment and use the energy to engage in intrinsically non-equilibrium activities such as growth, replication and self-propelled motility. An obvious example of active colloids is a suspension of bacteria such as Escherichia coli, their physical dimensions being almost invariably in the colloidal range. Synthetic self-propelled particles have also become available recently, such as two-faced, or Janus, particles propelled by differential chemical reactions on their surfaces driving a self-phoretic motion. In these lectures, I give a pedagogical introduction to the physics of single-particle and collective properties of active colloids, focussing on self propulsion. I will compare and contrast phenomena in suspensions of ‘swimmers’ with the behaviour of suspensions of passive particles, where only Brownian motion (discovered by Robert Brown in granules from the pollen of the wild flower Clarkia pulchella) is relevant. I will pay particular attention to issues that pertain to performing experiments using these active particle suspensions, such as how to characterise the suspension’s swimming speed distribution, and include an appendix to guide physicists wanting to start culturing motile bacteria. Published as: Proceedings of the International School of Physics“Enrico Ferm”, Course CLXXXIV “Physics of Complex Colloid”, eds. C. Bechinger, F. Sciortino and P. Ziherl, IOS, Amsterdam: SIF, Bologna (2013), pp.

연구 동기 및 목표

• 단일 입자 및 집단적 행동의 활성 콜로이드 물리학에 대한 교육적 소개를 제공하는 것.
• 자기 추진 활성 콜로이드의 비평형 역학을 비활성 콜로이드의 평형 브라운 운동과 대조하는 것.
• 활성 입자 분산계에서 수영 속도 분포를 특성화하는 데 직면하는 실험적 과제를 다루는 것.
• 운동성 박테리아를 배양하기 시작하는 물리학자들에게 실용적 지침을 제공하는 것, 전용 부록 포함.
• 합성 장우스 입자와 생물학적 수영자에서 자가포르티즘 운동의 핵심 물리 원리를 부각하는 것.

제안 방법

• 활성 콜로이드의 자기 추진 메커니즘을 기술하기 위해 이론적 및 현상학적 모델링을 사용한다.
• 브라운 운동을 보이는 *Clarkia pulchella* 꽃가루를 역사적 기준점으로 삼아 활성 콜로이드와 비활성 콜로이드의 역학을 비교한다.
• 비평형 통계역학의 개념을 적용하여 수영 행동과 집단적 효과를 분석한다.
• 수영 속도 분포를 측정하고 특성화하기 위해 실험 기법을 활용한다.
• 비대칭 화학 반응에 의해 구동되는 이면이 있는(장우스형) 입자에서 자가포르티즘 추진을 소개한다.
• 물리학자들을 위한 실용적인 부록을 제공하여 운동성 박테리아를 배양하는 데 도움이 되도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생물학적 수영자인 *Escherichia coli*와 합성 장우스 입자 사이에서 자기 추진의 물리적 메커니즘은 어떻게 다를까?
• RQ2 활성 콜로이드 분산계에서 수영 속도 분포를 측정하고 특성화하는 데 직면하는 핵심 실험적 과제는 무엇인가?
• RQ3 활성 콜로이드의 비평형 역학은 비활성 콜로이드의 평형 브라운 운동과 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ4 비대칭 코팅을 가진 장우스 입자에서 자가포르티즘 운동을 지배하는 물리 원리는 무엇인가?
• RQ5 실험 연구를 위해 운동성 박테리아를 성공적으로 배양하기 위해 물리학자들이 고려해야 할 실용적 고려사항은 무엇인가?

주요 결과

• 활동적인 콜로이드, 예를 들어 *Escherichia coli*는 환경의 자유 에너지를 변환하여 자기 추진 운동을 보이며, 비활성 브라운 입자와 구별된다.
• 합성 장우스 입자는 비대칭 표면 화학이 지역적 유체 흐름을 일으켜 자가포르티즘 운동을 달성한다.
• 활성 분산계에서의 수영 속도 분포는 시스템의 비평형 성격을 반영하는 핵심 측정 가능 물리량이다.
• 활성 콜로이드의 실험적 특성화에는 특히 활성 운동과 열적 확산을 구분하는 데 주의 깊은 제어와 분석이 필요하다.
• 부록은 물리학자들이 접근하기 쉬운 실용적인 지침을 제공하여 생물학적 활성 물질에 대한 실험적 접근을 촉진한다.
• 브라운 운동을 보이는 Clarkia 꽃가루와 현대의 활성 콜로이드 사이의 비교는 연질 물질계에서 평형에서 비평형 물리학으로의 전환을 부각시킨다.