蠕动微管有助于理解活动缺陷和曲率的耦合

想象一下，一个小小的甜甜圈形状的小滴，上面覆盖着蠕动的蠕虫。蠕虫紧密地堆积在一起，它们必须在本地相互排列。在这种情况下，我们会说这些蠕虫形成向列型液晶，一种类似于许多平板显示器中使用的材料的有序相。

然而，由蠕虫形成的向列相充满了局部对齐丢失的微小区域 - 否则对齐的材料中的缺陷。此外，由于蠕虫不断移动并改变其配置，因此该向列相是活跃的并且远非均衡。

在“ 自然物理学 ”杂志上发表的一项研究报告中，佐治亚理工学院和荷兰莱顿大学的科学家们描述了在圆环状环形表面上对这种活性向列相结合的理论和实验研究的结果 -液滴。然而，研究人员没有使用真正的蠕虫，而是一种由柔性细丝组成的活动向列，覆盖着微观引擎，不断将能量转化为运动。

这种特殊的活性物质最初是在布兰迪斯大学开发的，它借用了细胞机械的元素，成束细丝的棒状微管，驱动蛋白作为发动机，以及ATP作为燃料。当这种活动与缺陷相结合时，缺陷“变得生动”，像游泳微生物一样四处移动并探索空间 - 在这种情况下，探索环形液滴的表面。

通过研究这种活性向列覆盖的环形液滴，研究人员证实了长期以来关于平衡液晶的理论预测，首先由Bowick，Nelson和Travesset讨论[Phys.Rev。E 69,041102(2004)]，这种液滴的曲面上的向列缺陷将对局部曲率敏感。然而，由于在这项工作中使用的主动向列远非均衡，研究人员还发现内部活动如何变化并丰富了期望。

乔治亚理工学院物理学院的研究生，该论文的第一作者佩里埃利斯说：“有人预测说缺陷对它们居住的空间非常敏感，特别是对于空间的曲率。” “圆环是调查这一点的好地方，因为圆环的外部，局部看起来像球体的部分，具有正曲率，而圆环的内部，看起来像马鞍的部分，具有负曲率。”

“表征缺陷的数量就是我们所说的拓扑电荷或绕组数，”佐治亚理工学院物理学院教授，​​该论文的另一位作者Alberto Fernandez-Nieves说。“它表达了向列液晶的排列方向随着我们绕过缺陷而变化的方式。这种拓扑电荷是量子化的，这意味着它只能从离散集中获取半数倍的值。”

在这些实验中，每个缺陷的拓扑电荷为+1/2或-1/2。为了确定每个缺陷的电荷和位置，Ellis使用共焦显微镜随时间观察环形液滴，然后使用从计算机视觉中借鉴的技术分析所得到的视频。研究人员发现，即使分子马达驱动系统失去平衡，缺陷仍然能够感知曲率，+1 / 2缺陷向正曲率区域迁移，-1 / 2缺陷向着曲率转移。负曲率区域。

在这项新工作中，科学家向前迈出了一步，了解如何控制和引导有序材料中的缺陷。

“我们已经了解到，我们可以利用底层基板的曲率来控制和引导部分有序的活性物质，”Fernandez-Nieves说。“这项工作为研究这些材料中的缺陷如何排列在不具有恒定曲率的表面上提供了机会。这为使用曲率控制活性物质打开了大门。”

该研究的一个意外发现是，缺陷的不断运动导致平均拓扑电荷变得连续，不再仅采用半数倍的值。

“在我们实验的主动极限中，我们发现拓扑电荷变成了一个连续的变量，现在可以承担任何价值，”Fernandez-Nieves说。“这让人联想到许多量子系统在高温下会发生什么，其中可访问状态和相关变量的量子离散性质会丢失。

该系统不是以量化特性为特征，而是以连续属性为特征。“

埃利斯对液滴的观察与荷兰莱顿大学理论物理研究所的洛克斯·洛米兹助理教授和博士后研究员丹尼尔·皮尔斯的数值模拟结果相当。

“我们的理论模型帮助我们破译了实验结果并完全理解了控制缺陷运动的物理机制，”皮尔斯说，“但也让我们超越了目前的实验证据。” 添加Giomi：“活动改变了缺陷和曲率之间相互作用的性质。在弱活跃系统中，缺陷被类似符号高斯曲率的区域所吸引。但在强活跃系统中，这种效应变得不那么相关，缺陷表现为持久随机 - 行人被关在一个封闭而不均匀的空间里。“

有许多由内部活动驱动的主动系统的例子，包括游泳微生物，鸟群，机器人群和交通流。“活动材料无处不在，所以我们的结果并不仅仅局限于环形系统，”埃利斯补充道。“你可以在任何有缺陷的活动系统中看到相同的行为。”

该研究为未来活性流体的工作奠定了基础。“我们的研究结果引入了一个探索活性流体力学性质的新框架，并表明部分有序的活性物质可以通过底层基质内在几何形状的梯度来引导和控制，”作者在他们的论文摘要中写道。