非平衡条件下で駆動する粒子の運動法則と多体現象

非平衡条件下驱动粒子的运动定律和多体现象

• 批准号: 14J09915
• 负责人: 西口 大貴
• 金额: $ 2.05万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J09915/
• 关键词: アクティブマター; 自己駆動粒子; 集団運動; 非平衡物理学; ゆらぎ; バクテリア; 非平衡統計力学; 秩序形成; コロイド; ヤヌス粒子

アクティブマターの集団運動の普遍的性質を追究するために、遊泳バクテリア懸濁液をモデル系として実験をおこなった。昨年度までに実現に成功していた「バクテリア集団運動の長距離ネマチック秩序相」の解析を緻密化した。具体的には、この長距離秩序相が巨大な粒子数揺らぎを示すこと、そしてバクテリアの向きの空間相関関数が冪的な振る舞いを示すことを確認した。これにより、本実験系が、20年以上前に理論的に予言されていたクラスの集団運動の初めての実現であるという確証を得た。また、個々のバクテリアの衝突による相互作用を定量的に評価するために、希薄な条件下でのバクテリアの２体衝突イベントを多数撮影した。衝突前後のバクテリアの向きの変化の統計を、Boltzmann方程式を用いて定量的に解析した結果、２体衝突のレベルでは長距離秩序相への相転移は説明できず、高密度での多体衝突や連続的な衝突が重要であることが明らかとなった。これらの結果は投稿論文としてまとめ、Physical Review E誌に投稿し、Rapid Communicationとして掲載された。この成果は、非平衡条件下で駆動する粒子の多体現象の代表例としての「アクティブマターの集団運動」に関する数多くの理論研究の実験的基礎となるものである。また、本実験系と既存の実験系や自然界の群れ運動を比較することで、その理論的普遍性が発現する必要条件を示唆することができたため、今後の理論研究や実験系の新たな設計指針・アイデアを与えることができた。並行して、従来のバクテリアの実験系で得られていた「無秩序なバクテリア乱流」についても実験をおこない、わずかな拘束条件を課すことで、ある種の秩序を抜き出せることを実証した。これらの結果として、バクテリア懸濁液をモデル系として、アクティブマターにおける秩序の発現とゆらぎについての理解を深化させることができた。

为了研究活性物质集体运动的普遍性质，我们使用游动细菌的悬浮液作为模型系统进行了实验。我们改进了对“细菌集体运动的长程向列有序相”的分析，直到去年我们才成功实现了这一点。具体来说，我们证实这种长程有序相表现出巨大的粒子数波动，并且细菌方向的空间相关函数表现出类似幂的行为。这证实了这个实验系统是20多年前理论上预测的一类集体运动的首次实现。此外，为了定量评估单个细菌之间碰撞引起的相互作用，我们在稀释条件下拍摄了许多细菌对碰撞事件。利用玻尔兹曼方程，我们定量分析了碰撞前后细菌方向变化的统计结果，发现向长程有序相的相变不能用二体碰撞的水平来解释，而是可以用两体碰撞来解释。这是由于高密度的多体碰撞造成的。很明显，连续碰撞很重要。这些结果被总结为一篇论文，提交给《Physical Review E》，并以《Rapid Communication》为期刊发表。这一结果为“活性物质集体运动”的许多理论研究提供了实验基础，“活性物质集体运动”是非平衡条件下驱动的粒子多体现象的代表性例子。此外，通过将该实验系统与自然界中现有的实验系统和群体运动进行比较，我们能够提出其理论普适性出现的必要条件，这将导致未来的理论研究和实验系统的新设计。提供指导方针和想法。与此同时，他们对使用传统细菌实验系统获得的“混沌细菌湍流”进行了实验，并证明可以通过施加轻微的约束来提取某种顺序。因此，我们能够使用细菌悬浮液作为模型系统加深对活性物质的表达和秩序波动的理解。

项目成果

Mesoscopic turbulence and local order in Janus particles self-propelling under an ac electric field

• DOI: 10.1103/physreve.92.052309
• 发表时间: 2015-11-13
• 期刊: PHYSICAL REVIEW E
• 影响因子: 2.4
• 作者: Nishiguchi, Daiki;Sano, Masaki
• 通讯作者: Sano, Masaki

Collective Motions of High Aspect Ratio Bacteria

高纵横比细菌的集体运动

• 发表时间: 2015
• 作者: D. Nishiguchi;K. H. Nagai;and M. Sano;西口大貴，佐野雅己;D. Nishiguchi and M. Sano
• 通讯作者: D. Nishiguchi and M. Sano

フィラメント状バクテリアのネマチックな集団運動

丝状细菌的向列集体运动

• 发表时间: 2015
• 作者: D. Nishiguchi;K. H. Nagai;and M. Sano;西口大貴，佐野雅己;D. Nishiguchi and M. Sano;D. Nishiguchi and M. Sano;西口大貴，佐野雅己
• 通讯作者: 西口大貴，佐野雅己

Giant Number Fluctuation in an Ordered State of Filamentous Bacteria

丝状细菌有序状态下的巨大数量波动

• 发表时间: 2015
• 作者: D. Nishiguchi;K. H. Nagai;and M. Sano
• 通讯作者: and M. Sano

周期構造とバクテリア乱流の共鳴による渦格子形成と反強磁性秩序

由于周期性结构和细菌湍流之间的共振而形成涡晶格和反铁磁秩序

• 发表时间: 2017
• 作者: 吉田幸司;Daiki Nishiguchi and Masaki Sano;西口大貴，Andrey Sokolov，Igor S. Aranson
• 通讯作者: 西口大貴，Andrey Sokolov，Igor S. Aranson