物理

新しい実験によると、活発に動く分子ロッドの集合体のカオス的な動きを利用して、ミリメートルサイズのプロペラや風車を回転させることができるという[1]。 ロッドの動きは、化学的に駆動される分子モーターによって駆動され、隣接するロッドを接続して互いに引っ張り合います。 これらの微細な機械のエネルギーを大規模な運動に変換する能力は、最終的には外部電力なしで動作する小型ポンプの駆動に使用される可能性があります。

活性物質とは、何らかのエネルギーを消費するプロセスを介して独自に移動できるオブジェクトの集合を指します。 多くの場合、無秩序から秩序を作り出す能力によって特徴付けられます。 たとえば、特定の細菌は孤立した状態では特定の方向に泳ぐことはありませんが、研究者は、これらの細菌が歯車の切り欠きの片側に優先的にぶつかることで集合的に微細な歯車を回転させることができることを示しました[2]。

他のタイプの活性物質は、棒状要素の配列を通じて集合的な運動を示します。 このいわゆるアクティブネマティック挙動は、伸長した上皮細胞の層など、特定の種類の生物組織でよく見られます (概要: 細胞の伸長と収縮を参照)。 通常、アクティブ要素は互いに位置合わせされていますが、個々の動作により、欠陥と呼ばれる位置ずれの領域が発生する可能性があります。 これらの領域は、予測できない方法で形成され、動き回ります。 「[アクティブ ネマティクスの] 興味深い側面の 1 つは、この内部で生成されたカオスを利用して、ある種の一貫した動きを作り出すことができることです」と、カリフォルニア大学サンタバーバラ校のズヴォニミール ドギッチ氏は言います。

Dogicらは、キネシンと呼ばれる分子モータータンパク質と微小管と呼ばれる棒状の生体高分子を組み合わせた活性ネマチック材料を使った実験を行った。 細胞内では、微小管はキネシン分子が細胞の荷物を引っ張る高速道路として機能します。 微小管の濃縮スープでは、キネシン分子が隣接する 2 つの微小管をつかみ、一方を他方を滑り込ませることができます。 この動作により、整列パターンに 2 種類の欠陥が生じます。彗星形の「ポジティブ」欠陥と三角形の「ネガティブ」欠陥 (符号は欠陥周囲の微小管の向きに基づいています)。

研究者らは、活性ネマチックが油と水の界面の 2 次元に閉じ込められた円筒形タンク内で、これら 2 種類の欠陥の動きを研究しました。 研究チームは同じ水槽内に、円、星、風車などさまざまな形をした幅数百マイクロメートルの浮遊物体を設置した。 アクティブネマチックは、円や星などの対称オブジェクトを押し合いますが、正味の回転は引き起こしません。 対照的に、アクティブネマティックは、風車の形状を毎分約 0.2 回転の速度で回転させました。

これらの観察を説明するために、チームはタンク内の欠陥の動きを追跡し、風車の周りの予期せぬ動作パターンを明らかにしました。それは、風車のブレードのすぐ後ろに正の欠陥が日常的に形成されていたということです。 新たに形成された各欠陥は、関連するブレードをこすってから外側に飛び出すという同様の軌道をたどりました。このプロセスにより、ブレードの裏側に新たな欠陥が形成されます。 この周期的なパターンにより、風車に正味の回転力 (トルク) が発生しました。 ブレードの先端における平均速度は約 3 µm/s であり、欠陥の平均速度の約半分でした。 Dogic 氏は、この速度比は、(形状は異なるものの) 先端が平均風速の 7 倍で動く風力タービンの速度比と同じ一般的な範囲にあると述べています。

しかし、発生する回転エネルギーは、キネシン分子が燃焼する化学エネルギーに比べれば微々たるものでした。 「多くのエネルギーが失われていますが、どこで失われているのかはよくわかっていません」とドギック氏は言う。 それでも、活性ネマチックはブレード状の突起で覆われた壁を持つチャネル内に正味の流れを生成できるため、マイクロ流体工学への応用の可能性を予見している。 ここでの利点は、ポンプが自給自足できることであり、外部から電力を供給する必要がないことだとドギック氏は言う。

「この研究は、異方性活性材料をパワーデバイスに活用する能力を実現する、基本的な幾何学とトポロジーの美しい融合を表しています」と、ペンシルバニア大学の複雑流体研究者であるキャスリーン・スティーブは述べています。 マサチューセッツ州ブランダイス大学のソフトマター専門家セス・フレイデン氏は、「アクティブマターは成熟した分野になりつつある」と語る。 理論家たちは同様の実験をモデル化しているが、実験的なテストはほとんど行われていない、と彼は言う。 「この研究によって提起される理論上の課題は、ここで説明されている現象を再現し、乱流の活性流体から最大の仕事を引き出す歯車の形状を予測することです。」

–マイケル・シルバー

Michael Schirber は、フランスのリヨンに拠点を置く Physics Magazine の特派員です。

サトヴィック・レイ、ジエ・チャン、ズヴォニミール・ドギッチ

物理学。 レット牧師。 130、238301 (2023)

2023 年 6 月 9 日発行

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