[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究揭示了一种活性乳液中动态冻结的新机制：自驱动油滴因被自身分泌的化学物质痕迹所束缚，从而通过自体化学趋化作用产生集体束缚。该机制在个体粒子-痕迹碰撞与集体尺度上均得到定量表征，表明化学排斥性对齐可诱导活性物质系统中的长程有序与冻结。

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.

研究动机与目标

• 研究化学信号如何介导活性物质系统中的相互作用，特别是无外部浓度梯度时的情形。
• 理解自驱动液滴分泌的化学痕迹如何导致活性乳液中动态冻结的出现。
• 量化化学排斥性对齐在诱导活性液滴系统中集体束缚行为中的作用。
• 弥合个体粒子-痕迹相互作用与活性物质中集体尺度冻结转变之间的鸿沟。

提出的方法

• 利用自驱动油滴在水相中的物理化学系统，模拟具有自主化学分泌能力的活性物质。
• 追踪单个液滴的轨迹与化学痕迹分布，分析粒子-痕迹碰撞动力学。
• 对由分泌化学物质浓度梯度产生的化学排斥性对齐力进行定量分析。
• 通过液滴运动与局部化学场演化的耦合，建立自体化学趋化作用的建模。
• 测量从自由运动到束缚状态的转变点，作为液滴密度与分泌速率的函数。
• 采用统计与时空分析方法，识别由化学痕迹累积驱动的集体束缚转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 自驱动液滴如何与其它液滴分泌的化学痕迹发生相互作用？此类碰撞的结果由什么决定？
• RQ2 化学排斥性对齐在介导活性乳液中长程相互作用与集体冻结中的作用是什么？
• RQ3 系统如何从个体粒子-痕迹动力学过渡到集体束缚行为？
• RQ4 自体化学趋化作用在何种定量条件下导致动力学冻结？

主要发现

• 单个液滴因分泌化学物质的浓度梯度而受到化学排斥性对齐力作用，导致偏转，其碰撞结果取决于痕迹的年龄与浓度。
• 当液滴被困于多个邻近液滴的化学痕迹中时，束缚现象出现，形成稳定且不连通的簇。
• 向集体束缚的转变由液滴密度、分泌速率与化学扩散之间的相互作用决定，在模拟与实验中均观察到临界阈值。
• 自体化学趋化作用诱导长程有序并抑制集体运动，导致系统层面的动力学冻结。
• 该机制在完全基于物理化学的系统中具有鲁棒性与可重复性，无需外部化学梯度或生物组分。
• 定量分析证实，束缚并非由空间位阻效应引起，而是源于沿化学痕迹的定向化学排斥与对齐。