ソフトマター中のマイクロマシンの遊泳と拡散

微机械在软物质中的游动和扩散

基本信息

批准号：
18J21231
负责人：
安田健人
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Tokyo Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

これまでモータータンパク質・代謝酵素・大腸菌に代表されるマイクロマシンに関して、普遍的な性質を抽出するための研究が盛んに行われてきた。その中で、自己推進のメカニズムと状態遷移の普遍的な性質を解明することを目的として研究を行った。(1)粘弾性体中の相反マイクロスイマー近年、マイクロマシンの粘性流体中の遊泳理論が盛んに調べられている。その中でマイクロマシンの遊泳では帆立貝の定理が成り立つことが知られている。帆立貝定理によると、粘性流体中の微小物体は相反変形では遊泳できない。一方、マイクロマシンの遊泳環境は粘性流体に限らず、粘弾性媒質となる場合がある。そこで、相反変形するマイクロスイマーモデルを３つ提案し、粘弾性流体中の遊泳速度を計算した。また、周りの粘弾性流体は複素粘性率によって記述できるとした。これらのモデルを詳細に解析することで、スイマーの遊泳速度を導出した。その結果、全てのモデルにおいて遊泳速度が複素粘性率の虚部に比例することがわかり、相反スイマーは媒質の弾性成分を利用して遊泳していることがわかった。(2)マイクロマシンの状態サイクルの解析Over dampedな系でのマイクロマシンの機能は帆立貝の定理との対応関係から、状態空間中のサイクルが重要な役割をはたすと考えられる。そこで、化学反応によって駆動されるマイクロマシンの状態遷移を説明するためのモデルを提案し、状態サイクルと化学反応のパラメーターの関係性を調べた。化学反応の進行度を表す反応座標およびマイクロマシンの状態を記述する状態変数を導入した。全自由エネルギーは、化学反応を表現する傾いた周期ポテンシャルと反応座標と状態変数のカップリングエネルギーの和で与えられる。状態サイクロンの化学反応パラメーターに対する依存性を議論した結果、状態サイクロンは活性化エネルギーの二乗に反比例することがわかった。

到目前为止，已经进行了大量研究来提取微型机器的通用特性，例如运动蛋白、代谢酶和大肠杆菌。其中，我们进行的研究旨在阐明状态转换的自推进机制和普遍性。 (1) 粘弹性体中的往复微型游泳器近年来，人们对粘性流体中微型机械游泳的理论进行了积极的研究。其中，众所周知，当微型机器游泳时，扇贝定理成立。根据扇贝定理，粘性流体中的微小物体由于相互变形而不能游泳。另一方面，微机械的游泳环境不仅限于粘性流体，还可能是粘弹性介质。因此，我们提出了三种经历相互变形的微型游泳器模型，并计算了粘弹性流体中的游泳速度。他还假设周围的粘弹性流体可以用复数粘度来描述。通过详细分析这些模型，我们得出了游泳者的游泳速度。结果发现，在所有模型中，游泳速度都与复数粘度的虚部成正比，这表明互逆游泳者利用介质的弹性分量进行游泳。 (2)微机械的状态循环分析在过阻尼系统中的微机械的功能中，由于与扇贝定理的对应关系，状态空间中的循环被认为起着重要的作用。因此，我们提出了一个模型来解释化学反应驱动的微机械的状态转换，并研究了状态循环与化学反应参数之间的关系。我们引入了代表化学反应进程的反应坐标和描述微机械状态的状态变量。总自由能由表示化学反应的倾斜周期势的耦合能、反应坐标和状态变量的总和给出。通过讨论状态旋风对化学反应参数的依赖性，发现状态旋风与活化能的平方成反比。