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，在去年之后，我们继续研究一种检测细菌数密度的时空波动的方法。随着新共聚焦显微镜的引入，细菌数密度的可视化变得更有效率。在这个实验系统中，我们研究了具有足够的荧光强度，几乎没有光毒性或褪色的实验条件，并且由于经历了外部染色和各种表达荧光蛋白的菌株，我们能够找到所需的实验条件。通过添加数值流体计算，对单个细菌中游泳和障碍物之间相互作用的空间维度依赖性进行了详细了解，以详细了解对活动湍流的边界条件的详细理解，并通过添加数值流体计算，以详细的理解，以详细理解，通过添加数值流体计算，同时进行了实验。此外，在检查实验的拍摄条件下，我们对设计实验系统的数值计算代码进行了改进。由于制定了允许按GPU进行快速计算的代码，我们成功地在存在主动湍流障碍物和墙壁的情况下快速预测了行为，并改善了实验设计的吞吐量。通过利用这项技术，可以在高分辨率上捕获封闭系统（例如圆形区域）中主动湍流的有序状态的细节，而圆形区域很难使用常规方法。特别是，我们详细研究了从圆形限制的小半径内排序活动湍流并形成稳定的涡流的状态的路径，直到半径增加，导致涡流变得湍流，从而导致巨大的主动湍流。结果，我们发现了一种现象，在这种现象中，振动和混乱溶液之间传播的恢复转变，导致湍流。通过分析振动周期，Lyapunov指数，频谱和其他分析，这不符合任何因惯性湍流而闻名的湍流场景，并且在高维机械系统中是无法通过低维机械系统的语言来解释的任何湍流场景。我们为这项研究准备了一种讨论文化。

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