تتعمق دراسة جديدة في سلوك الجسيمات النشطة التي تتغير سرعة دفعها مع الاتجاه. ووجدوا أن الجسيمات شكلت أسرابًا غير دائرية مع تدفق مستمر للجسيمات إلى الداخل والخارج. البحث له آثار على التحكم المحتمل في تجميع الجسيمات، مع آثار على إنشاء مادة قابلة للبرمجة والتقدم في التكنولوجيا الطبية.
اكتشف الباحثون تأثيرات فيزيائية غير معروفة سابقًا في أنظمة مكونة من جزيئات تعتمد سرعة دفعها على الاتجاه الذي تتحرك فيه.
إن مجال البحث الذي يركز على الجسيمات ذاتية الدفع (أي الجسيمات النشطة) يتوسع بسرعة. في معظم النماذج النظرية، يفترض أن تحافظ هذه الجسيمات على سرعة سباحة ثابتة. ومع ذلك، فإن هذا الافتراض لا ينطبق على العديد من الجسيمات المنتجة تجريبيًا، مثل تلك التي يتم دفعها بواسطة الموجات فوق الصوتية في التطبيقات الطبية، والتي تختلف سرعة دفعها باختلاف الاتجاه.
أجرى فريق من علماء الفيزياء بقيادة البروفيسور رافائيل ويتكوفسكي من جامعة مونستر والبروفيسور مايكل كيتس من جامعة كامبريدج دراسة تعاونية لاستكشاف كيفية تأثير هذه السرعة المعتمدة على الاتجاه على سلوك أنظمة الجسيمات، خاصة في تكوين العناقيد.
لقد جمعوا بين المحاكاة الحاسوبية والتحليل النظري للكشف عن التأثيرات الجديدة لأنظمة الجسيمات النشطة ذات السرعات المعتمدة على الاتجاه. وقد نشرت نتائج البحث مؤخرا في مجلة Physical Review Letters.
من وجهة نظر فيزيائية، من المثير للاهتمام أن الأنظمة المكونة من العديد من الجسيمات النشطة يمكن أن تشكل مجموعات تلقائيًا - حتى لو لم تنجذب الجسيمات الفردية إلى بعضها البعض على الإطلاق. أثناء قياس حركة الجسيمات المحاكية، اكتشف الباحثون نتيجة مفاجئة بشكل خاص.
يشرح المؤلف الأول الدكتور ستيفان بروكر من معهد الفيزياء النظرية في جامعة مونستر: "عادة، من المتوسط الإحصائي، تبقى الجسيمات في مثل هذا العنقود في مكانها. ولهذا السبب، كنا نتوقع أن يكون هذا هو الحال هنا أيضًا. ولكن في الواقع، وجد الفيزيائيون شيئًا آخر: الجسيمات تتحرك باستمرار من جانب واحد من العنقود وتعود من الجانب الآخر، مما يخلق تدفقًا دائمًا للجسيمات".
هناك اختلاف آخر عن الوضع "العادي": مجموعات الجسيمات المتكونة في أنظمة الجسيمات النشطة عادة ما تكون دائرية. ومع ذلك، من بين الجسيمات التي تمت دراستها، يعتمد شكل الكتلة على مدى تأثير اتجاه الجسيم على سرعة الدفع - والتي يمكن تحديدها من قبل المجرب.
يوضح المؤلف المشارك الأول الدكتور ينس بيكمان: "على الأقل من الناحية النظرية، يمكننا ترتيب الجسيمات في أي شكل نريده".
"يمكننا أن نرسم معهم، إذا جاز التعبير." وفي عمليات المحاكاة، لاحظ الباحثون الأشكال البيضاوية والمثلثات والمربعات. "الدكتور مايكل تفيرجت من مجموعة ويتكوفسكي هو أيضًا مؤلف مشارك في الدراسة. بالنسبة للتطبيقات التكنولوجية - على سبيل المثال، لتحقيق مادة قابلة للبرمجة، من الضروري أن تكون قادرًا على التحكم في الطريقة التي تتجمع بها الجسيمات - وطريقتنا تفعل ذلك."
الخلفية: هناك أمثلة عديدة للجسيمات النشطة في علم الأحياء، مثل البكتيريا السباحة أو الطيور الطائرة. في الوقت الحاضر، من الممكن أيضًا تحقيق جزيئات نشطة اصطناعية (روبوتات نانوية وميكروية): على سبيل المثال، أحد الأغراض هو زرعها في جسم الإنسان لتوصيل الأدوية بشكل مستهدف.