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; 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。

为了追求主动物质运动的普遍性质，我们使用游泳细菌作为模型系统进行了一项实验。我们已经完善了对细菌群体运动的远程列阶阶段的分析，该阶段已经成功实现了。具体而言，我们证实了这个长期有序的相在粒子计数中表现出巨大的波动，并且细菌方向的空间相关功能表现出理想的行为。这证实了这个实验系统是一类集体运动的首次实现，这些运动在理论上预测了20多年前。此外，为了定量评估单个细菌引起的相互作用，在稀释条件下拍摄了许多细菌两体碰撞事件。使用Boltzmann方程定量分析了碰撞之前和之后细菌方向的变化的统计数据，并且揭示了在两体碰撞水平上无法解释到远距离有序相的相位过渡，并且在高密度下在高密度和持续碰撞的水平上很重要。这些结果是作为提交的，提交给《物理评论》杂志E的，并以快速沟通发表的。该结果为众多关于“活性物质的群体运动”的理论研究提供了实验基础，作为在非平衡条件下驱动的颗粒多体现象的代表性示例。此外，通过将该实验系统与现有的实验系统和自然世界的群体运动进行比较，我们能够为要体现的理论普遍性提出必要的条件，并且我们能够为未来的理论研究和实验系统提供新的设计指南和思想。同时，我们还对传统细菌实验系统中获得的“细菌湍流”进行了实验，表明可以通过施加轻微的约束来提取某种秩序。结果，我们能够使用细菌悬浮液作为模型系统来加深对主动物质中秩序表达和秩序波动的理解。