Poznaj swirlon – nowy rodzaj materii która nagina prawa fizyki

Ławica ryb, rój owadów i duża grupa latających ptaków – nowe badania pokazują, że na najbardziej podstawowym poziomie tego rodzaju zachowania grupowe tworzą nowy rodzaj materii aktywnej, zwany stanem swirlon [ wirowym].

Prawa fizyczne, takie jak drugie prawo dynamiki Newtona – które stwierdza, że ​​wraz ze wzrostem siły przyłożonej do obiektu wzrasta jego przyspieszenie, a wraz ze wzrostem masy obiektu, jego przyspieszenie maleje – mają zastosowanie do pasywnej, nieożywionej materii, od atomów po planety. Ale większość materii na świecie to materia aktywna i porusza się dzięki własnej, samokierowanej sile, powiedział Nikolai Brilliantov, matematyk z Instytutu Nauki i Technologii w Skolkovo w Rosji i Uniwersytetu w Leicester w Anglii. Żywe istoty tak różnorodne jak bakterie, ptaki i ludzie mogą wchodzić w interakcje z siłami, które na nie działają. Istnieją również przykłady nieożywionej materii aktywnej. Nanocząsteczki znane jako „cząsteczki Janusa [Janus particles]” składają się z dwóch części, z których każda ma różne właściwości chemiczne. Interakcje między dwiema częsciami tworzą ruch samobieżny.

Aby zbadać aktywną materię, Brilliantov i jego koledzy użyli komputera do symulacji cząstek, które mogą się poruszać. Te cząsteczki nie oddziałują świadomie ze środowiskiem, powiedział Brilliantov. Były raczej podobne do prostych bakterii lub nanocząstek z wewnętrznymi źródłami energii, ale bez zdolności przetwarzania informacji.

Pierwszą niespodzianką było to, że ta aktywna materia zachowuje się zupełnie inaczej niż materia bierna. Różne stany biernej materii mogą współistnieć, powiedział Brilliantov. Na przykład szklanka wody w stanie ciekłym może stopniowo parować do stanu gazowego, pozostawiając jednocześnie wodę w stanie ciekłym. Natomiast materia aktywna nie współistniała w różnych stanach; była ciałem stałym, cieczą lub gazem.

Cząstki zgrupowane razem jako duże konglomeraty lub quasi-cząstki, które zmieniają się w kolisty wzór wokół centralnej pustki, coś w rodzaju wirów sardynek. Naukowcy nazwali te konglomeraty cząstek „swirlons [wiry]”, a nowy stan materii nazwali „swirlonic state [stanem wirowym]”.

W tym stanie wirowym cząsteczki wykazywały dziwne zachowanie. Na przykład naruszyły drugie prawo Newtona: kiedy przyłożono do nich siłę, nie przyspieszały.

„[One] po prostu poruszają się ze stałą prędkością, co jest absolutnie zaskakujące” – powiedział Brilliantov.

Symulacje były podstawowe, a praca eksperymentalna z rzeczywistą materią aktywną jest kolejnym ważnym krokiem – powiedział. Brilliantov i jego koledzy planują również przeprowadzić bardziej złożone symulacje przy użyciu cząstek materii aktywnej o zdolnościach przetwarzania informacji. Będą one bardziej przypominać owady i zwierzęta i pomogą odkryć fizyczne prawa rządzące rojem i stadami. Ostatecznym celem jest stworzenie samoorganizujących się materiałów z aktywnej materii, powiedział Brilliantov.

Badania zostały szczegółowo opisane w październiku 2020 roku w czasopiśmie Scientific Reports.

Źródła: Stephanie Pappas

Swirlonic state of active matter

Zdjęcia: Alex Solich/Getty

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x