집단운동

Collective motion

집단운동은 많은 자주 추진제들로 구성된 시스템에서 순서운동의 자발적인 출현으로 정의된다. 예를 들어, 새떼, 물고기 떼, 동물 떼, 그리고 군중과 자동차 통행에서도 그것은 일상 생활에서 관찰될 수 있다. 그것은 또한 미세한 수준으로 나타난다: 박테리아, 운동성 측정기 및 인공 자력 입자의 군집.[1][2][3] 과학계는 이 현상의 보편성을 이해하려고 애쓰고 있다. 특히 통계물리학 분야와 활성물질 분야에서 집중적으로 조사된다. 동물,[4] 생물학적 및 합성 자력 입자, 시뮬레이션[5] 및 이론에[6][7] 대한 실험을 병행하여 이러한 현상을 연구한다. 그러한 행동을 설명하는 가장 유명한 모델 중 하나는 타마스 빅섹 등이 1995년에 선보인 빅섹 모델이다.[8]

자력입자의[9] 집합거동

자연에서 생물학적 시스템과 마찬가지로 자력 입자도 외부 구배에도 반응해 집단 행동을 보인다. 마이크로모터나 나노모터는 자가 생성되는 그라데이션과 상호작용을 할 수 있으며, 학식과 배타행동을 나타낼 수 있다.[10] 예를 들어, Ibelle 등에서는, UV 광선이 존재하는 곳에서, 은 염화 마이크로모터가 고농도에서 서로 상호작용하고 학교를 형성한다는 것을 보여주었다.[11] 이산화티타늄 미세입자에서도 비슷한 행동을 관찰할 수 있다.[12] 실버 오르토인산 마이크로파티클은 암모니아, 과산화수소, UV 빛에 반응하여 학교 학습과 배제의 행동 사이에 변화를 나타낸다.[13][14] 이 동작은 서로 다른 두 자극(암모니아와 자외선)의 다른 조합이 서로 다른 출력을 생성하기 때문에 NOR 게이트를 설계하는 데 사용할 수 있다. 학교교육과 배제 행동 사이의 진동 또한 과산화수소 농도의 변화를 통해 조절할 수 있다. 이러한 진동으로 인해 발생하는 유체 흐름은 마이크로스케일 화물을 운송하기에 충분할 정도로 강력하며 심지어 밀접하게 포장된 콜로이드 결정 시스템의 조립까지도 지시할 수 있다.[15]

마이크로모터와 나노모터도 화학축으로 정의되는 현상인 외부 적용 화학적 그라데이션 방향으로 우선적으로 이동할 수 있다. 화학적 경사로에 놓였을 때 과산화수소의 근원을 향해 확산되는 자주 추진 Au-Pt 나노로드에서 화학적 축이 관찰되었다.[16] 그럽스 촉매가 연결된 실리카 미세입자 역시 더 높은 모노머 농도로 이동한다.[17] 효소는 나노단자 역할도 하며 기질 농도가 높은 지역으로 이동하는데, 이를 효소 화학축이라고 한다.[18][19] 효소 나노모터 케모 축의 한 가지 흥미로운 용도는 마이크로유체 채널에서 활성 효소와 비활성 효소의 분리다.[20] 또 하나는 당분해성 계단식의 첫 번째 네 가지 효소인 헥소키나아제, 인포글루코오스 이소머라제, 인포프락토키나제, 알돌라제의 공동운동을 연구함으로써 대사물 형성을 탐구하는 것이다.[21][22] 보다 최근에는 효소 코팅 입자가 미세유체 채널에서 반응물질의 구배에서도 유사한 작용을 보이고 있다.[23] 일반적으로 생물학적 및 합성된 자가 추진 입자의 화학적 축은 마이크로 스케일로 운동을 지시하는 방법을 제공하며 약물 전달, 감지, 랩 온 어 칩 장치 및 기타 용도에 사용할 수 있다.[24]

참고 항목

메모들

  1. ^ Palacci, Jeremie; Sacanna, Stefano; Steinberg, Asher Preska; Pine, David J.; Chaikin, Paul M. (2013). "Living Crystals of Light-Activated Colloidal Surfers". Science. 339 (6122): 936–940. Bibcode:2013Sci...339..936P. doi:10.1126/science.1230020. PMID 23371555. S2CID 1974474.
  2. ^ Theurkauff, I.; Cottin-Bizonne, C.; Palacci, J.; Ybert, C.; Bocquet, L. (2012). "Dynamic clustering in active colloidal suspensions with chemical signaling". Physical Review Letters. 108 (26): 268303. arXiv:1202.6264. Bibcode:2012PhRvL.108z8303T. doi:10.1103/physrevlett.108.268303. PMID 23005020. S2CID 4890068.
  3. ^ Buttinoni, I.; Bialké, J.; Kümmel, F.; Löwen, H.; Bechinger, C.; Speck, T. (2013). "Dynamical clustering and phase separation in suspensions of self-propelled colloidal particles". Physical Review Letters. 110 (23): 238301. arXiv:1305.4185. Bibcode:2013PhRvL.110w8301B. doi:10.1103/physrevlett.110.238301. PMID 25167534. S2CID 17127522.
  4. ^ Feder, Toni (2007). "Statistical physics is for the birds". Physics Today. 60 (10): 28–30. Bibcode:2007PhT....60j..28F. doi:10.1063/1.2800090.
  5. ^ Grégoire, Guillaume; Chaté, Hugues (2004-01-15). "Onset of Collective and Cohesive Motion". Physical Review Letters. 92 (2): 025702. arXiv:cond-mat/0401208. Bibcode:2004PhRvL..92b5702G. doi:10.1103/PhysRevLett.92.025702. PMID 14753946. S2CID 37159324.
  6. ^ Toner, John; Tu, Yuhai (1995-12-04). "Long-Range Order in a Two-Dimensional Dynamical $\mathrm{XY}$ Model: How Birds Fly Together". Physical Review Letters. 75 (23): 4326–4329. Bibcode:1995PhRvL..75.4326T. doi:10.1103/PhysRevLett.75.4326. PMID 10059876.
  7. ^ Chaté, H.; Ginelli, F.; Grégoire, G.; Peruani, F.; Raynaud, F. (2008-07-11). "Modeling collective motion: variations on the Vicsek model". The European Physical Journal B. 64 (3–4): 451–456. Bibcode:2008EPJB...64..451C. doi:10.1140/epjb/e2008-00275-9. ISSN 1434-6028. S2CID 49363896.
  8. ^ Vicsek, T.; Czirok, A.; Ben-Jacob, E.; Cohen, I.; Shochet, O. (1995). "Novel type of phase transition in a system of self-driven particles". Physical Review Letters. 75 (6): 1226–1229. arXiv:cond-mat/0611743. Bibcode:1995PhRvL..75.1226V. doi:10.1103/PhysRevLett.75.1226. PMID 10060237. S2CID 15918052.
  9. ^ Altemose, A; Sen, A. (2018). Collective Behaviour of Artificial Microswimmers in Response to Environmental Conditions. Royal Society of Chemistry. pp. 250–283. ISBN 9781788011662.
  10. ^ Wang, W.; Duan, W.; Ahmed, S.; Mallouk, T.; Sen, A. (2013). "Small power: Autonomous nano- and micromotors propelled by self-generated gradients". Nano Today. 8 (5): 531. doi:10.1016/j.nantod.2013.08.009.
  11. ^ Ibele, M.; Mallouk, T.; Sen, A. (2009). "Schooling behavior of light-powered autonomous micromotors in water". Angewandte Chemie International Edition. 48 (18): 3308–12. doi:10.1002/anie.200804704. PMID 19338004.
  12. ^ Hong, Y.; Diaz, M.; Córdova-Figueroa, U.; Sen, A. (2010). "Light‐Driven Titanium‐Dioxide‐Based Reversible Microfireworks and Micromotor/Micropump Systems". Advanced Functional Materials. 20 (10): 1568. doi:10.1002/adfm.201000063.
  13. ^ Duan, W.; Liu, R.; Sen, A. (2013). "Transition between collective behaviors of micromotors in response to different stimuli". Journal of the American Chemical Society. 135 (4): 1280–3. doi:10.1021/ja3120357. PMID 23301622.
  14. ^ Altemose, A.; Sánchez-Farrán, M. A.; Duan, W.; Schulz, S.; Borhan, A.; Crespi, V. H.; Sen, A. (2017). "Chemically-controlled spatiotemporal oscillations of colloidal assemblies". Angewandte Chemie International Edition. 56 (27): 7817–7821. doi:10.1002/anie.201703239. PMID 28493638.
  15. ^ Altemose, Alicia; Harris, Aaron J.; Sen, Ayusman (2020). "Autonomous Formation and Annealing of Colloidal Crystals Induced by Light-Powered Oscillations of Active Particles". ChemSystemsChem. 2 (1): e1900021. doi:10.1002/syst.201900021. ISSN 2570-4206.
  16. ^ Hong, Y.; Blackmann, NMK; Kopp, ND.; Sen, A.; Velegol, D. (2007). "Chemotaxis of nonbiological colloidal rods". Physical Review Letters. 99 (17): 178103. Bibcode:2007PhRvL..99q8103H. doi:10.1103/physrevlett.99.178103. PMID 17995374.
  17. ^ Ravlick, RA.; Sengupta, S.; McFadden, T.; Zhang, H.; Sen, A. (2011). "A Polymerization-Powered Motor". Angewandte Chemie International Edition. 50 (40): 9374–7. doi:10.1002/anie.201103565. PMID 21948434.
  18. ^ Sengupta, S.; Dey, KK.; Muddana, HS.; Tabouillot, T.; Ibele, M.; Butler, PJ.; Sen, A. (2013). "Enzyme Molecules as Nanomotors". Journal of the American Chemical Society. 135 (4): 1406–14. doi:10.1021/ja3091615. PMID 23308365.
  19. ^ Mohajerani, Farzad; Zhao, Xi; Somasundar, Ambika; Velegol, Darrell; Sen, Ayusman (2018-10-30). "A Theory of Enzyme Chemotaxis: From Experiments to Modeling". Biochemistry. 57 (43): 6256–6263. arXiv:1809.02530. doi:10.1021/acs.biochem.8b00801. ISSN 0006-2960. PMID 30251529. S2CID 52816076.
  20. ^ Dey, Krishna Kanti; Das, Sambeeta; Poyton, Matthew F.; Sengupta, Samudra; Butler, Peter J.; Cremer, Paul S.; Sen, Ayusman (2014). "Chemotactic Separation of Enzymes". ACS Nano. 8 (12): 11941–11949. doi:10.1021/nn504418u. ISSN 1936-0851. PMID 25243599.
  21. ^ Zhao, Xi; Palacci, Henri; Yadav, Vinita; Spiering, Michelle M.; Gilson, Michael K.; Butler, Peter J.; Hess, Henry; Benkovic, Stephen J.; Sen, Ayusman (2018). "Substrate-driven chemotactic assembly in an enzyme cascade". Nature Chemistry. 10 (3): 311–317. Bibcode:2018NatCh..10..311Z. doi:10.1038/nchem.2905. ISSN 1755-4330. PMID 29461522.
  22. ^ Metabolons and Supramolecular Enzyme Assemblies. Academic Press. 2019-02-19. ISBN 9780128170755.
  23. ^ Dey, Krishna K.; Zhao, Xi; Tansi, Benjamin M.; Méndez-Ortiz, Wilfredo J.; Córdova-Figueroa, Ubaldo M.; Golestanian, Ramin; Sen, Ayusman (2015-11-30). "Micromotors Powered by Enzyme Catalysis". Nano Letters. 15 (12): 8311–8315. Bibcode:2015NanoL..15.8311D. doi:10.1021/acs.nanolett.5b03935. ISSN 1530-6984. PMID 26587897.
  24. ^ Zhao, Xi; Gentile, Kayla; Mohajerani, Farzad; Sen, Ayusman (2018-10-16). "Powering Motion with Enzymes". Accounts of Chemical Research. 51 (10): 2373–2381. doi:10.1021/acs.accounts.8b00286. ISSN 0001-4842. PMID 30256612. S2CID 52845451.

추가 참조사항

외부 링크