Topological control and topological phenomena of active matter

まず、昨年度に引き続き、バクテリア数密度の時空間的なゆらぎを検出する手法の検討を進めた。新たな共焦点顕微鏡の導入により、バクテリア数密度の可視化をより効率的におこなえるようになった。この実験系において、十分な蛍光強度でかつ光毒性や褪色が少なく長時間観察できる実験条件の検討を進め、外部からの染色や各種蛍光タンパク質発現株を試した結果、望ましい実験条件を見出すことができた。同時におこなっていた、アクティブ乱流の境界条件の詳細な理解のための単体のバクテリアにおける遊泳と障害物の相互作用の空間次元依存性の実験については、流体数値計算を加えることで論文としてまとめ、出版された。また、実験の撮影条件の検討等と並行して、実験系の設計をおこなうための数値計算コードの改良をおこなった。GPUベースで高速な数値計算が可能なコードを開発した結果、アクティブ乱流の障害物や壁の存在下での振る舞いを速やかに予測し、実験系の設計のスループットを向上で愛することに成功した。この技術を活用することで、従来の手法では困難であった、円形領域内などの閉鎖系におけるアクティブ乱流の秩序状態の詳細を高解像度で捉えることができるようになった。特に、小さな半径の円形閉じ込め内でアクティブ乱流が秩序化し、安定な1つの渦を形成する状態から、半径を大きくしていくに従って渦が乱れて、最終的にバルクのアクティブ乱流へと至る道筋を詳細に調査した。結果、振動解やカオス解を行き来するリエントラント転移を示ししつつ乱流へと至るという現象を発見した。これは、慣性乱流などで知られているいずれの乱流化シナリオにも合致せず、また低次元力学系の言葉では説明できない、高次元力学系の未知の転移であることを、振動周期やLyapunov指数、周波数スペクトルなどの解析から明らかにした。本研究について論文化の準備をおこなった。

まず、昨年度に引き続き、バクテリア数密度の時空間的なゆらぎを検出する手法の検討を進めた。新たな共焦点顕微鏡の導入により、バクテリア数密度の可視化をより効率的におこなえるようになった。この実験系において、十分な蛍光強度でかつ光毒性や褪色が少なく長時間観察できる実験条件の検討を進め、外部からの染色や各種蛍光タンパク質発現株を試した結果、望ましい実験条件を見出すことができた。同時におこなっていた、アクティブ乱流の境界条件の詳細な理解のための単体のバクテリアにおける遊泳と障害物の相互作用の空間次元依存性の実験については、流体数値計算を加えることで論文としてまとめ、出版された。また、実験の撮影条件の検討等と並行して、実験系の設計をおこなうための数値計算コードの改良をおこなった。GPUベースで高速な数値計算が可能なコードを開発した結果、アクティブ乱流の障害物や壁の存在下での振る舞いを速やかに予測し、実験系の設計のスループットを向上で愛することに成功した。この技術を活用することで、従来の手法では困難であった、円形領域内などの閉鎖系におけるアクティブ乱流の秩序状態の詳細を高解像度で捉えることができるようになった。特に、小さな半径の円形閉じ込め内でアクティブ乱流が秩序化し、安定な1つの渦を形成する状態から、半径を大きくしていくに従って渦が乱れて、最終的にバルクのアクティブ乱流へと至る道筋を詳細に調査した。結果、振動解やカオス解を行き来するリエントラント転移を示ししつつ乱流へと至るという現象を発見した。これは、慣性乱流などで知られているいずれの乱流化シナリオにも合致せず、また低次元力学系の言葉では説明できない、高次元力学系の未知の転移であることを、振動周期やLyapunov指数、周波数スペクトルなどの解析から明らかにした。本研究について論文化の準備をおこなった。