[論文レビュー] From Clarkia to Escherichia and Janus: The physics of natural and synthetic active colloids

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

Micro and Nano Robotics参考文献 121被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、バクテリア（例：*Escherichia coli*）や合成ジェイナス粒子のような自己駆動粒子を対象として、アクティブコロイドの物理学について教育的入門を提供する。非平衡ダイナミクスとコロイド内のパッシブブラウン運動を比較し、泳ぎの速度分布の実験的特徴付けを強調するとともに、動く細菌の培養に関する実用的ガイダンスを提供する。

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.

研究の動機と目的

• アクティブコロイドにおける単粒子および集団的挙動の物理学について教育的入門を提供すること。
• 自己駆動するアクティブコロイドの非平衡ダイナミクスと、パッシブコロイドの平衡ブラウン運動を対比すること。
• アクティブコロイド分散系における泳ぎの速度分布を特徴付ける際の実験的課題に言及すること。
• 物理学を学び始めた研究者向けに、動く細菌を培養するための実用的ガイダンス（専用付録を含む）を提供すること。
• 合成ジェイナス粒子および生物学的スイマーにおける自己フェロティック運動の背後にある主要な物理的原則を強調すること。

提案手法

• アクティブコロイドにおける自己駆動メカニズムを記述するために理論的および現象論的モデルを用いる。
• *Clarkia pulchella*の花粉におけるブラウン運動を歴史的ベンチマークとして用いて、アクティブコロイドとパッシブコロイドのダイナミクスを比較する。
• 非平衡統計力学の概念を用いて泳ぎの挙動および集団的効果を分析する。
• 実験的手法を用いて分散系における泳ぎの速度分布を測定および特徴付ける。
• 非対称な化学反応によって駆動される二面性（ジェイナス）粒子における自己フェロティック駆動を導入する。
• 物理学を学ぶ研究者向けに、動く細菌の培養プロトコルを含む実用的付録を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生物学的スイマー（例：*Escherichia coli*）と合成ジェイナス粒子との間で、自己駆動の物理的メカニズムはどのように異なるか？
• RQ2 アクティブコロイド分散系における泳ぎの速度分布を測定および特徴付ける際の主な実験的課題は何か？
• RQ3 アクティブコロイドにおける非平衡ダイナミクスとパッシブコロイドにおける平衡ブラウン運動との違いは何か？
• RQ4 非対称に被膜が施されたジェイナス粒子における自己フェロティック運動を支配する物理的原則は何か？
• RQ5 実験的研究のために動く細菌を効果的に培養するにあたり、物理学を学ぶ研究者が考慮すべき重要な実用的要因は何か？

主な発見

• *Escherichia coli* などのアクティブコロイドは、環境の自由エネルギーを変換することで自己駆動する運動を示し、パッシブブラウン粒子とは明確に区別される。
• 合成ジェイナス粒子は、非対称な表面化学が局所的な流体の流れを駆動することで自己フェロティック運動を達成する。
• アクティブ分散系における泳ぎの速度分布は、系の非平衡性を反映する重要な測定可能な量である。
• アクティブコロイドの実験的特徴付けには、能動的運動と熱的拡散を区別するにあたり、注意深い制御と分析が必要である。
• 付録は、実験的アクセスを容易にするために物理学を学ぶ研究者にやさしい動く細菌の培養ガイドを提供する。
• クラークニア・パルチェラ（*Clarkia pulchella*）の花粉（ブラウン運動）と現代のアクティブコロイドとの比較は、ソフトマター系における平衡から非平衡への物理学的転換を浮き彫りにする。