A study of turbulent dynamics and geometric universality in a dense bacterial suspension

浓密细菌悬浮液中的湍流动力学和几何普适性研究

基本信息

  • 批准号：
    20J10039
  • 负责人：
    別府 航早
  • 金额：
    $ 1.09万
  • 依托单位：
    Kyushu University
  • 依托单位国家：
    日本
  • 项目类别：
    Grant-in-Aid for JSPS Fellows
  • 财政年份：
    2020
  • 资助国家：
    日本
  • 起止时间：
    2020-04-24 至 2022-03-31
  • 项目状态：
    已结题

项目摘要

高密度な遊泳バクテリア集団は乱流のような集団運動（アクティブ乱流）を形成する．我々は，アクティブ乱流の物理法則を明らかにするため，内在する秩序渦の幾何学に着目した．相互作用する秩序渦には同方向回転の強磁性的渦と反対方向回転の反強磁性的渦がある．微細加工技術により二つの相互作用する渦の中心間距離Δと半径Rを制御すると，幾何学量Δ/R＝√２を閾値として，強磁性/反強磁性転移が起こるという幾何法則が明らかとなった．しかし，三つの渦間でフラストレーションが生じる場合，強磁性的渦が安定化され，転移点がずれることが確認されており，従来の幾何法則を与えたVicsekモデルでは説明できない問題であった．そこでVicsekモデルの連続体記述であるToner-Tuモデルを用いてシミュレーションを行ったところ，従来の幾何法則，及び３体相互作用における転移点のずれも再現する結果となった．このモデルの詳細な理論解析がアクティブ乱流の幾何的普遍性の解明の鍵となる．個々のキラリティーのアクティブ乱流への影響を調査するため，上下非対称界面を有するデバイスを開発した．この系では，集団運動の回転の対称性が破れ，キラルな渦，及びキラルなエッジカレントが出現した．密度解析により，上面側の密度の高まりが出現の起源となることを突き止めた．エッジカレントは強磁性的渦を安定化することも見出しており．キラリティーを介したアクティブ乱流の新たな制御原理の解明に成功した．また，多様な系の幾何学的普遍性を探求するため，キネシンに駆動される微小管集団の幾何法則を調査した．同様の双子型円境界で実験を行ったところ，Δ/Rに依存して二種のバンドル構造が形成された． Vicsekスタイルモデルの理論解析から，これらの転移は幾何学量Δ/R＝√２で起こることが明らかになり，アクティブマターにおける幾何学的普遍性の存在が示唆された．
High-density な swimming バ バ テリア テリア group する turbulence or ような group movement (ア ティブ ティブ turbulence) を form する. I 々 は, ア ク テ ィ ブ turbulence の physics を Ming ら か に す る た め, inner す る order vortex の に the mesh geometry し た. Interaction: する order vortex に return in the same direction 転 <s:1> strong magnetic vortex と return in the opposite direction 転 <e:1> anti-strong magnetic vortex がある. Microfabrication technology に よ り two つ の interaction す る vortex の center distance between Δ と radius R を suppression す る と, geometry Δ / 2 R =) を threshold numerical と し て, strong magnetic/strong magnetic planning move since が こ る と い う geometric law が Ming ら か と な っ た. Between し か し, three つ の vortex で フ ラ ス ト レ ー シ ョ ン が raw じ る occasions, strong magnetic vortex が stabilization さ れ, planning to move some が ず れ る こ と が confirm さ れ て お り, 従 to の geometric elements を and え た Vicsek モ デ ル で は illustrate で き な い problem で あ っ た. そ こ で Vicsek モ デ ル の even 続 body account で あ る Toner - Tu モ デ ル を with い て シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を line っ た と こ ろ, 従 の geometry law, and the interaction に び 3 お け る planning to move some の ず れ も reappearance す る results と な っ た. <s:1> モデ モデ ティブ detailed な theoretical analysis がア ティブ ティブ the universality of turbulence <s:1> geometry <e:1> explanation of the <s:1> key となる. A 々 の キ ラ リ テ ィ ー の ア ク テ ィ ブ turbulence へ の impact を investigation す る た め, up and down is not called interface を seaborne す る デ バ イ ス を open 発 し た. こ の is で は, set 団 movement の planning の said sexual が れ, seaborne キ ラ ル な vortex, and び キ ラ ル な エ ッ ジ カ レ ン ト が appear し た. Density analysis: によ によ, the density of the upper side <s:1> is high ま が が, the origin of the <s:1> is となる となる とを とを, and it stops at めた. Youdaoplaceholder0 ト ト ト the strong magnetic vortex を stabilizes する する と と is likely to reveal <s:1> てお. Youdaoplaceholder0, を, <s:1>, たア, ティブ, ティブ, the new たな control principle <e:1> of turbulence <s:1> has been explained に successfully and た た. ま た, many others な is の universality of geometry を explore す る た め, キ ネ シ ン に 駆 dynamic さ れ る tiny tube set 団 の geometric law を survey し た. With others has drifted back towards &yen; の Gemini type boundary で be 験 を line っ た と こ ろ, Δ / R に dependent し て two の バ ン ド が ル structure form さ れ た. Vicsek ス タ イ ル モ デ ル の theory analytical か ら, こ れ ら の planning move は geometry Δ / 2 R =) で up こ る こ と が Ming ら か に な り, ア ク テ ィ ブ マ タ ー に お け る exist universality of geometry の が in stopping さ れ た.

项目成果

期刊论文数量（8）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（0）
前多研究室
前田研究所
  • DOI：
  • 发表时间：
  • 期刊：
  • 影响因子：
    0
  • 作者：
  • 通讯作者：
バクテリア乱流とキラルなエッジカレントの幾何的制御原理
细菌湍流和手性边缘流的几何控制原理
  • DOI：
  • 发表时间：
    2021
  • 期刊：
  • 影响因子：
    0
  • 作者：
    Shiho Kino;Daisuke Nishioka;Keiko Ueno;Naoki Kondo;別府航早，Ziane Izri，住野豊，前多裕介
  • 通讯作者：
    別府航早，Ziane Izri，住野豊，前多裕介
遊泳バクテリア集団が示すキラルなエッジカレントと秩序渦の制御原理
游动细菌群体显示的手性边缘流和有序涡流的控制原理
  • DOI：
  • 发表时间：
    2021
  • 期刊：
  • 影响因子：
    0
  • 作者：
    別府航早;Ziane Izri;住野豊;前多裕介
  • 通讯作者：
    前多裕介
遊泳バクテリア集団が示すエッジカレントと誘起されるキラルな秩序渦
游动细菌群体引起的边缘电流和手性有序涡流
  • DOI：
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
  • 影响因子：
    0
  • 作者：
    永濱藍;田金秀一郎;N. V. Ngoc;H. T. Binh;陶山佳久;矢原徹一;別府航早，Ziane Izri，住野豊，前多裕介
  • 通讯作者：
    別府航早，Ziane Izri，住野豊，前多裕介
Chiral edge current and pairing order transition in the bacterial vortices
细菌涡旋中的手性边缘电流和配对顺序转变
  • DOI：
  • 发表时间：
    2021
  • 期刊：
  • 影响因子：
    0
  • 作者：
    Waizumi Tatsuyuki;Sakuta Hiroki;Hayashi Masahito;Tsumoto Kanta;Takiguchi Kingo;Yoshikawa Kenichi;Kazusa Beppu
  • 通讯作者：
    Kazusa Beppu
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別府 航早其他文献

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