stringtranslate.com

Активная материя

Стая скворцов действует как рой

Активная материя — это материя, состоящая из большого количества активных «агентов», каждый из которых потребляет энергию для движения или приложения механических сил. [1] [2] Такие системы по своей сути находятся вне теплового равновесия . В отличие от тепловых систем, релаксирующих к равновесию, и систем с граничными условиями, создающими устойчивые токи, системы активной материи нарушают симметрию обращения времени , поскольку энергия постоянно рассеивается отдельными компонентами. [3] [4] Большинство примеров активного вещества имеют биологическое происхождение и охватывают все уровни живого: от бактерий до самоорганизующихся биополимеров, таких как микротрубочки и актин (оба являются частью цитоскелета живых клеток). ), косякам рыб и стаям птиц. Однако большая часть текущих экспериментальных работ посвящена синтетическим системам, таким как искусственные самодвижущиеся частицы . [5] [6] Активная материя — это относительно новая классификация материалов в мягкой материи : наиболее широко изученная модель, модель Вичека , датируется 1995 годом. [7]

Исследования активной материи сочетают аналитические методы, численное моделирование и эксперименты. Известные аналитические подходы включают гидродинамику , [8] кинетическую теорию и неравновесную статистическую физику . Численные исследования в основном включают модели самодвижущихся частиц [9] [10] с использованием агентных моделей, таких как алгоритмы молекулярной динамики или модели решеточного газа [11] , а также вычислительные исследования гидродинамических уравнений активных жидкостей . [8] Эксперименты на биологических системах проводятся в широком диапазоне масштабов, включая группы животных (например, стаи птиц, [12] стада млекопитающих, косяки рыб и стаи насекомых [13] ), бактериальные колонии, клеточные ткани (например, слои эпителиальной ткани). , [14] рост рака и эмбриогенез), компоненты цитоскелета (например, анализы подвижности in vitro , актин-миозиновые сети и филаменты, управляемые молекулярными двигателями [15] ). Эксперименты с синтетическими системами включают самодвижущиеся коллоиды (например, форетически перемещаемые частицы [16] ), управляемые гранулированные вещества (например, вибрирующие монослои [17] ), роящиеся роботы и ротаторы Квинке.

Концепции активной материи

Системы активной материи

Рекомендации

  1. ^ Рамасвами, Шрирам (1 января 2010 г.). «Механика и статистика активной материи». Ежегодный обзор физики конденсированного состояния . 1 (1): 323–345. arXiv : 1004.1933 . Бибкод : 2010ARCMP...1..323R. doi : 10.1146/annurev-conmatphys-070909-104101. S2CID  55500360.
  2. ^ Маркетти, MC; Джоанни, Дж. Ф.; Рамасвами, С.; Ливерпуль, ТБ; Прост, Дж.; Рао, М.; Адита Симха, Р. (2012). «Гидродинамика мягкого активного вещества». Обзоры современной физики . 85 (3): 1143–1189. arXiv : 1207.2929 . Бибкод : 2013РвМП...85.1143М. doi : 10.1103/RevModPhys.85.1143.
  3. ^ Бертье, Людовик; Курчан, Хорхе (7 июня 2019 г.). «Лекции по неравновесным активным системам». arXiv : 1906.04039 [cond-mat.stat-mech].
  4. ^ Кейтс, Майкл Э.; Тайлер, Жюльен (2 января 2015 г.). «Разделение фаз, вызванное подвижностью». Ежегодный обзор физики конденсированного состояния . 6 : 219–244. arXiv : 1406.3533 . Бибкод : 2015ARCMP...6..219C. doi : 10.1146/annurev-conmatphys-031214-014710. S2CID  15672131.
  5. ^ Брикар, Антуан; Коссен, Жан-Батист; Дерёмо, Николя; Дошо, Оливье; Бартоло, Денис (6 ноября 2013 г.). «Появление макроскопического направленного движения в популяциях подвижных коллоидов». Природа . 503 (7474): 95–98. arXiv : 1311.2017 . Бибкод : 2013Natur.503...95B. дои : 10.1038/nature12673. PMID  24201282. S2CID  1174081.
  6. ^ Теркауф, И.; Коттен-Бизон, К.; Палаччи, Дж.; Иберт, К.; Боке, Л. (26 июня 2012 г.). «Динамическая кластеризация в активных коллоидных суспензиях с химической передачей сигналов». Письма о физических отзывах . 108 (26): 268303. arXiv : 1202.6264 . Бибкод : 2012PhRvL.108z8303T. doi : 10.1103/PhysRevLett.108.268303. PMID  23005020. S2CID  4890068.
  7. ^ Вичек, Т .; Чирок, А.; Бен-Джейкоб, Э.; Коэн, И.; Шошет, О. (1995). «Новый тип фазового перехода в системе самодвижущихся частиц». Письма о физических отзывах . 75 (6): 1226–1229. arXiv : cond-mat/0611743 . Бибкод : 1995PhRvL..75.1226V. doi :10.1103/PhysRevLett.75.1226. PMID  10060237. S2CID  15918052.
  8. ^ аб Тонер, Джон; Ту, Юхай; Рамасвами, Шрирам (1 июля 2005 г.). «Гидродинамика и фазы скоплений» (PDF) . Анналы физики . Специальный выпуск. 318 (1): 170–244. Бибкод : 2005AnPhy.318..170T. дои : 10.1016/j.aop.2005.04.011.
  9. ^ Вичек, Тамаш; Чирок, Андраш; Бен-Якоб, Эшель; Коэн, Инон; Шохет, Офер (7 августа 1995 г.). «Новый тип фазового перехода в системе самодвижущихся частиц». Письма о физических отзывах . 75 (6): 1226–1229. arXiv : cond-mat/0611743 . Бибкод : 1995PhRvL..75.1226V. doi :10.1103/PhysRevLett.75.1226. PMID  10060237. S2CID  15918052.
  10. ^ Шатэ, Хьюг; Джинелли, Франческо; Грегуар, Гийом; Рейно, Франк (18 апреля 2008 г.). «Коллективное движение самодвижущихся частиц, взаимодействующих без сцепления». Физический обзор E . 77 (4): 046113. arXiv : 0712.2062 . Бибкод : 2008PhRvE..77d6113C. doi : 10.1103/PhysRevE.77.046113. PMID  18517696. S2CID  30774878.
  11. ^ Буссемакер, Хармен Дж.; Дойч, Андреас; Гейгант, Эдит (30 июня 1997 г.). «Анализ среднего поля динамического фазового перехода в модели клеточного автомата для коллективного движения». Письма о физических отзывах . 78 (26): 5018–5021. arXiv : физика/9706008 . Бибкод : 1997PhRvL..78.5018B. doi : 10.1103/physrevlett.78.5018. ISSN  0031-9007. S2CID  45979152.
  12. ^ Баллерини, М.; Кабиббо, Н.; Кандельер, Р.; Каванья, А.; Сисбани, Э.; Джардина, И.; Лекомт, В.; Орланди, А.; Паризи, Г. (29 января 2008 г.). «Взаимодействие, управляющее коллективным поведением животных, зависит от топологического, а не метрического расстояния: данные полевого исследования». Труды Национальной академии наук . 105 (4): 1232–1237. arXiv : 0709.1916 . Бибкод : 2008PNAS..105.1232B. дои : 10.1073/pnas.0711437105 . ISSN  0027-8424. ПМК 2234121 . ПМИД  18227508. 
  13. ^ Буль, Дж.; Самптер, DJT; Кузен, ID; Хейл, Джей-Джей; Деспланд, Э.; Миллер, скорая помощь; Симпсон, SJ (2 июня 2006 г.). «От беспорядка к порядку в марширующей саранче». Наука . 312 (5778): 1402–1406. Бибкод : 2006Sci...312.1402B. дои : 10.1126/science.1125142. ISSN  0036-8075. PMID  16741126. S2CID  359329.
  14. ^ Трепат, Ксавье; Вассерман, Майкл Р.; Анджелини, Томас Э.; Милле, Эмиль; Вайц, Дэвид А.; Батлер, Джеймс П.; Фредберг, Джеффри Дж. (1 июня 2009 г.). «Физические силы во время коллективной миграции клеток». Физика природы . 5 (6): 426–430. Бибкод : 2009NatPh...5..426T. дои : 10.1038/nphys1269 . ISSN  1745-2473.
  15. ^ Кебер, Феликс С.; Луазо, Этьен; Санчес, Тим; ДеКэмп, Стивен Дж.; Джоми, Лука; Боуик, Марк Дж.; Маркетти, М. Кристина; Догич, Звонимир; Бауш, Андреас Р. (5 сентября 2014 г.). «Топология и динамика активных нематических пузырьков». Наука . 345 (6201): 1135–1139. arXiv : 1409.1836 . Бибкод : 2014Sci...345.1135K. дои : 10.1126/science.1254784. ISSN  0036-8075. ПМК 4401068 . ПМИД  25190790. 
  16. ^ Палаччи, Джереми; Саканна, Стефано; Стейнберг, Ашер Преска; Пайн, Дэвид Дж.; Чайкин, Пол М. (22 февраля 2013 г.). «Живые кристаллы активируемых светом коллоидных серферов». Наука . 339 (6122): 936–940. Бибкод : 2013Sci...339..936P. дои : 10.1126/science.1230020. ISSN  0036-8075. PMID  23371555. S2CID  1974474.
  17. ^ Дезен, Жюльен; Дошо, Оливье; Шатэ, Хьюг (23 августа 2010 г.). «Коллективное движение вибрирующих полярных дисков». Письма о физических отзывах . 105 (9): 098001. arXiv : 1004.1499 . Бибкод : 2010PhRvL.105i8001D. doi : 10.1103/PhysRevLett.105.098001. PMID  20868196. S2CID  40192049.