Badanie układów gęstej materii aktywnej i rządzących nimi sił
Z każdej strony otaczają nas gęste grupy samoczynnie napędzających się cząsteczek mogące tworzyć stany skupienia przypominające ciała stałe, które nazywamy szkłami aktywnymi. Te układy gęstej materii aktywnej przybierają formy od cytoplazmy po tkanki komórkowe i od biofilmów bakteryjnych po korki uliczne. Naukowcy od niedawna zajmują się badaniem właściwości dynamicznych i mechanicznych takich szkieł aktywnych, ale układy te są tak nieuporządkowane strukturalnie i pozbawione równowagi, że ich zrozumienie okazało się nie lada wyzwaniem. Sposobem na badanie właściwości szkieł aktywnych jest traktowanie ich jako niezwykłych, aktywnych form materii fizycznej. Naukowcy wspierani przez finansowany ze środków UE projekt RMAG starali się poznać te układy, a w szczególności dowiedzieć się, jak zachowują się one pod wpływem ścinania – naprężenia pojawiającego się w strukturze substancji pod wpływem ciśnienia, gdy jej warstwy przesuwają się poprzecznie w przeciwnych kierunkach. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”. Zespół badawczy przeprowadził symulację modelu aktywnego układu szklanego pod stałym działaniem siły ścinającej. W układzie tym każda samoczynnie napędzająca się cząstka była wprawiana w ruch przez siłę napędową, której kierunek działania ulegał powolnym i losowym zmianom. „Badaliśmy odpowiedź modelowego materiału aktywnego w warunkach stałego ruchu, w których układ umieszczony był pomiędzy dwiema ścianami, jedną nieruchomą, a drugą ruchomą, w celu uzyskania odkształcania ścinającego”, mówi główny autor badania dr Rituparno Mandal z Uniwersytetu w Getyndze, który koordynował projekt RMAG, w artykule opublikowanym na stronie „EurekAlert!”.
Symulacja ukazuje ukryty porządek kierunku działania sił
Zespół odkrył, że chociaż przepływ cząsteczek przypomina taki, który możemy zaobserwować w przypadku typowych cieczy, kierunki działania sił ujawniają ukryty porządek: zwykle są one zwrócone w stronę górnej lub dolnej powierzchni – w zależności od tego, która z nich jest najbliżej – podczas gdy cząsteczki pozostające pod działaniem sił bocznych skupiają się po środku układu szklanego. „Zaobserwowaliśmy, że przy wystarczająco dużej sile napędowej występuje interesujący efekt uporządkowania”, wyjaśnia dr Mandal. „Prosta teoria analityczna pozwala nam go lepiej zrozumieć, a jej przewidywania zaskakująco dobrze pokrywają się z symulacją”. Starszy autor badania, prof. Peter Sollich, również z Uniwersytetu w Getyndze, wyjaśnia: „Siła zewnętrzna lub napędowa często niszczy taki porządek. W tym przypadku jednak napędzanie przepływem wywołanym ścinaniem ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia mobilności cząstkom, które tworzą aktywny materiał, a one faktycznie potrzebują tej zdolności ruchu, aby móc uzyskać zaobserwowany porządek”. Według prof. Sollicha wyniki tego badania mają „zapewnić niebywałe możliwości naukowcom badającym mechaniczne reakcje żywej materii”. Celem projektu RMAG (Rheology and Mechanics of Active Glasses) jest dostarczenie naukowcom nowej wiedzy w zakresie biologii komórkowej i materiałoznawstwa oraz utorowanie drogi do stworzenia nowych aktywnych materiałów o niezwykłych możliwościach. Realizacja tego dwuletniego projektu zakończy się w październiku 2022 roku. Więcej informacji: projekt RMAG
Słowa kluczowe
RMAG, szkło aktywne, układ szklany, siła, ścinanie, cząstka, materia
