Aktif Elementler Nasıl Etkileniyor?

Depolanan Enerji Nasıl Harekete Geçer

Gökyüzünde göz kamaştırıcı desenler üreten sığırcık sürüleri, aktif maddenin doğal örnekleridir. Brown Üniversitesi fizikçilerinden oluşan bir araştırmacı ekibi, aktif madde sistemleri içinde neler olduğuna dair yeni bilgiler ortaya koyuyor.

Araştırma, üç boyutlu aktif nematik kullanan deneyleri açıklar. Nematic, akıllı telefon ve televizyon ekranlarında yaygın olarak kullanılan sıvı kristallerde ortaya çıkan bir madde durumunu tanımlar. Sıvı kristallerdeki puro şeklindeki moleküller, bir sıvıdaki gibi hareket edebilirler, ancak az çok aynı yönde, bir kristal gibi, aynı düzende kalmaya eğilimlidirler.

Normal bir sıvı kristalde, moleküller pasiftir, yani kendi kendini itme yeteneği yoktur. Ancak bu yeni çalışmada yer alan sistem, bu pasif molekülleri, her biri yakıt tüketme ve kendilerini itme yeteneğine sahip küçük mikrotübül demetleri ile değiştirir. Araştırmanın amacı, bu aktif elementlerin sistemin sırasını nasıl etkilediğini incelemekti. Sistem geliştikçe kusurlar, bir anlamda sistemde dolanan çizgiler, döngüler ve diğer yapılar yaratarak hayat buluyor gibi görünmektedir.

Araştırmacılar, şeylerin kırılmadan nasıl deforme olduğu ile ilgili bir matematik dalı olan topolojiyi kullanarak yapıları inceledi. Brown’un mühendislik ve fizik profesörü olan Beller, Pelcovits ve Thomas Powers, çalışma için teorik çalışmayı yönetti. Max Planck Dinamik ve Kendi Kendini Örgütleme Enstitüsü, Chicago Üniversitesi, Brandeis ve Eindhoven Teknoloji Üniversitesi’nden araştırmacılar bilgisayar modelleme uzmanlığına katkıda bulundu.

Bu tür çalışmalar iki boyutlu sistemlerde yapılmıştı, ancak bu ilk kez bir 3-D sistemi bu şekilde incelenmişti. Araştırma, sistemdeki baskın topolojik yapıların kendiliğinden ortaya çıkan, genişleyen ve daha sonra kendi kendine yok olan döngü yapıları olduğunu göstermiştir. Döngüler, daha iyi çalışılan 2-D sistemlerde ortaya çıkan kusur türleriyle ilgilidir, ancak araştırmacılar anahtar bir şekilde farklı olduğunu söylüyorlar. 2-D’de, kusurlar, zıt özelliklere veya “yüklere” sahip olan, biraz parçacıklar ve antipartiküller gibi nokta çiftlerinde ortaya çıkar. Bir kez oluştuklarında, sonunda ters yük ile bir kusur haline gelene kadar var olurlar, bu da onların yok olmasına neden olur.

Buna karşılık, 3-B’de oluşan döngülerin hiçbir yükü yoktur. Sonuç olarak, kendi başlarına oluştururlar ve yok ederler. Bununla birlikte, hala 2B kusur yapıları ile ilgilidir. Aslında, 3-B döngüler 2-B nokta kusurlarının uzantıları olarak düşünülebilir. İki boyutlu bir yüzeyde oturan iki nokta hatası düşünün. Şimdi bu iki noktayı 2-B yüzeyinden yükselen bir yayla ve yüzeyin alt tarafında ikinci bir arkla birleştirin. Sonuç, noktaların her iki yükünü de içeren, ancak kendisi nötr yük olan bir döngüdür. Bu, çekirdeklenmeyi ve yok etmeyi tek başına mümkün kılar.

Araştırmacılar, bu sistemin dinamiklerine dair bu yeni anlayışın, bakteri kolonileri, insan vücudundaki yapılar ve sistemler veya diğer sistemler gibi gerçek dünya sistemlerinde uygulanacağından umutlu.

Beller, “Burada bulduğumuz şey, bu hizalama eğilimine sahip, ancak depolanmış enerjiyi harekete geçiren benzer sistemlerde tam olarak mevcut olacağını düşündüğümüz oldukça genel bir davranış dizisidir.” Dedi.