Topological control and topological phenomena of active matter

活性物质的拓扑控制和拓扑现象

基本信息

批准号：
20K14426
负责人：
西口大貴
金额：
$ 2.66万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

まず、昨年度に引き続き、バクテリア数密度の時空間的なゆらぎを検出する手法の検討を進めた。新たな共焦点顕微鏡の導入により、バクテリア数密度の可視化をより効率的におこなえるようになった。この実験系において、十分な蛍光強度でかつ光毒性や褪色が少なく長時間観察できる実験条件の検討を進め、外部からの染色や各種蛍光タンパク質発現株を試した結果、望ましい実験条件を見出すことができた。同時におこなっていた、アクティブ乱流の境界条件の詳細な理解のための単体のバクテリアにおける遊泳と障害物の相互作用の空間次元依存性の実験については、流体数値計算を加えることで論文としてまとめ、出版された。また、実験の撮影条件の検討等と並行して、実験系の設計をおこなうための数値計算コードの改良をおこなった。GPUベースで高速な数値計算が可能なコードを開発した結果、アクティブ乱流の障害物や壁の存在下での振る舞いを速やかに予測し、実験系の設計のスループットを向上で愛することに成功した。この技術を活用することで、従来の手法では困難であった、円形領域内などの閉鎖系におけるアクティブ乱流の秩序状態の詳細を高解像度で捉えることができるようになった。特に、小さな半径の円形閉じ込め内でアクティブ乱流が秩序化し、安定な1つの渦を形成する状態から、半径を大きくしていくに従って渦が乱れて、最終的にバルクのアクティブ乱流へと至る道筋を詳細に調査した。結果、振動解やカオス解を行き来するリエントラント転移を示ししつつ乱流へと至るという現象を発見した。これは、慣性乱流などで知られているいずれの乱流化シナリオにも合致せず、また低次元力学系の言葉では説明できない、高次元力学系の未知の転移であることを、振動周期やLyapunov指数、周波数スペクトルなどの解析から明らかにした。本研究について論文化の準備をおこなった。

首先，从去年开始，我们研究了一种检测细菌种群密度时空波动的方法。新型共焦显微镜的引入使得更有效地观察细菌种群密度成为可能。在这个实验系统中，我们研究了能够以足够的荧光强度和最小的光毒性和褪色进行长期观察的实验条件，并且在对外部染色和各种荧光蛋白表达菌株进行实验后，我们能够找到理想的实验条件。能够做到。同时，我们对单个细菌中游泳与障碍物相互作用的空间维度依赖性进行了实验，以详细了解主动湍流的边界条件，并通过添加流体数值计算在论文中进行了总结。已发布。此外，在检查实验成像条件的同时，我们改进了用于设计实验系统的数值计算代码。通过开发能够执行高速数值计算的基于 GPU 的代码，我们能够快速预测存在障碍物和墙壁的情况下的主动湍流行为，并成功提高了实验系统设计的吞吐量。通过利用这项技术，可以捕获封闭系统中主动湍流有序状态的细节，例如高分辨率的圆形区域，这对于传统方法来说是困难的。特别是，活跃湍流在半径较小的圆形限制内变得有序，形成单个稳定的涡流，并且随着半径的增加，涡流变得更加无序，最终导致整体活跃湍流的路线进行了详细研究。结果，我们发现了一种现象，显示出在振荡解和混沌解之间来回的重入转变，从而导致湍流。这与已知的惯性湍流的任何湍流场景都不匹配，并且它是高维动力系统中的未知转变，无法用低维动力系统来解释这一点通过对李亚普诺夫指数的分析得到了澄清。、频谱等我们准备了一篇关于这项研究的论文。

项目成果

期刊论文数量（53）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

アクティブマターの物理学：集団運動の秩序・ゆらぎ・トポロジー

活性物质物理学：集体运动的秩序、涨落和拓扑

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
Iwata N.;Kemp A. J.;Wilks S. C.;Mima K.;Mariscal D.;Ma T.;Sentoku Y.;植松祐輝;谷茉莉，栗田玲;西口大貴
通讯作者：
西口大貴

アクティブマター物理学：集団運動の秩序, ゆらぎ, 波, かたち

活性物质物理学：集体运动的顺序、波动、波、形状

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Tani Atusi;Tani Marie;西口大貴
通讯作者：
西口大貴

Novel boundary conditions and topology of bacterial turbulence

细菌湍流的新边界条件和拓扑

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
Daiki Nishiguchi;Andrey Sokolov;Henning Reinken;Sebastian Heidenreich;Markus Baer;Sabine H.L. Klapp;Igor Aranson;谷茉莉，栗田玲;向井啓祐，荻野靖之，松尾拓海，坂部俊郎，八木重郎，小林真，小川国大，磯部光孝，玉置真悟，村田勲;高田智史;野村悠祐;植松祐輝;Kyosuke Adachi;Daiki Nishiguchi
通讯作者：
Daiki Nishiguchi

Quasi-two-dimensional bacterial swimming around pillars: Enhanced trapping efficiency and curvature dependence

准二维细菌围绕柱子游动：增强的捕获效率和曲率依赖性