非平衡条件下で駆動する粒子の運動法則と多体現象

非平衡条件下驱动粒子的运动定律和多体现象

• 批准号: 14J09915
• 负责人: 西口 大貴
• 金额: $ 2.05万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J09915/
• 关键词: アクティブマター; 自己駆動粒子; 集団運動; 非平衡物理学; ゆらぎ; バクテリア; 非平衡統計力学; 秩序形成; コロイド; ヤヌス粒子

アクティブマターの集団運動の普遍的性質を追究するために、遊泳バクテリア懸濁液をモデル系として実験をおこなった。昨年度までに実現に成功していた「バクテリア集団運動の長距離ネマチック秩序相」の解析を緻密化した。具体的には、この長距離秩序相が巨大な粒子数揺らぎを示すこと、そしてバクテリアの向きの空間相関関数が冪的な振る舞いを示すことを確認した。これにより、本実験系が、20年以上前に理論的に予言されていたクラスの集団運動の初めての実現であるという確証を得た。また、個々のバクテリアの衝突による相互作用を定量的に評価するために、希薄な条件下でのバクテリアの２体衝突イベントを多数撮影した。衝突前後のバクテリアの向きの変化の統計を、Boltzmann方程式を用いて定量的に解析した結果、２体衝突のレベルでは長距離秩序相への相転移は説明できず、高密度での多体衝突や連続的な衝突が重要であることが明らかとなった。これらの結果は投稿論文としてまとめ、Physical Review E誌に投稿し、Rapid Communicationとして掲載された。この成果は、非平衡条件下で駆動する粒子の多体現象の代表例としての「アクティブマターの集団運動」に関する数多くの理論研究の実験的基礎となるものである。また、本実験系と既存の実験系や自然界の群れ運動を比較することで、その理論的普遍性が発現する必要条件を示唆することができたため、今後の理論研究や実験系の新たな設計指針・アイデアを与えることができた。並行して、従来のバクテリアの実験系で得られていた「無秩序なバクテリア乱流」についても実験をおこない、わずかな拘束条件を課すことで、ある種の秩序を抜き出せることを実証した。これらの結果として、バクテリア懸濁液をモデル系として、アクティブマターにおける秩序の発現とゆらぎについての理解を深化させることができた。

The general nature of mass movement in swimming is investigated. The analysis of the "long-distance generation phase of cluster motion" was successfully carried out yesterday. The number of particles in the long-distance order is large, and the number of spatial correlations is large. This is the first time that the theory has been put forward more than 20 years ago. A quantitative evaluation of the interaction between the two bodies under certain conditions is presented. Before and after the conflict, the statistical analysis of the direction of change, Boltzmann equation, quantitative analysis, results, 2-body conflict, long distance order, phase shift explanation, high density, multi-body conflict and continuous conflict are important. The results of this paper are published in the journal Physical Review, Rapid Communication and Publication. The results of this paper are representative examples of multibody phenomena of particles moving under non-equilibrium conditions. The present system is based on the comparison of the existing systems and the movements of natural groups, and the necessary conditions for the development of theoretical systems are discussed. In parallel, the system of "disorder" and "turbulence" is obtained. In addition, the system of "disorder" and "turbulence" is obtained. In addition, the system of "disorder" and "turbulence" is obtained. The result of this is to deepen understanding of the order.

项目成果

Mesoscopic turbulence and local order in Janus particles self-propelling under an ac electric field

• DOI: 10.1103/physreve.92.052309
• 发表时间: 2015-11-13
• 期刊: PHYSICAL REVIEW E
• 影响因子: 2.4
• 作者: Nishiguchi, Daiki;Sano, Masaki
• 通讯作者: Sano, Masaki

Collective Motions of High Aspect Ratio Bacteria

高纵横比细菌的集体运动

• 发表时间: 2015
• 作者: D. Nishiguchi;K. H. Nagai;and M. Sano;西口大貴，佐野雅己;D. Nishiguchi and M. Sano
• 通讯作者: D. Nishiguchi and M. Sano

フィラメント状バクテリアのネマチックな集団運動

丝状细菌的向列集体运动

• 发表时间: 2015
• 作者: D. Nishiguchi;K. H. Nagai;and M. Sano;西口大貴，佐野雅己;D. Nishiguchi and M. Sano;D. Nishiguchi and M. Sano;西口大貴，佐野雅己
• 通讯作者: 西口大貴，佐野雅己

周期構造とバクテリア乱流の共鳴による渦格子形成と反強磁性秩序

由于周期性结构和细菌湍流之间的共振而形成涡晶格和反铁磁秩序

• 发表时间: 2017
• 作者: 吉田幸司;Daiki Nishiguchi and Masaki Sano;西口大貴，Andrey Sokolov，Igor S. Aranson
• 通讯作者: 西口大貴，Andrey Sokolov，Igor S. Aranson

Giant Number Fluctuation in an Ordered State of Filamentous Bacteria

丝状细菌有序状态下的巨大数量波动

• 发表时间: 2015
• 作者: D. Nishiguchi;K. H. Nagai;and M. Sano
• 通讯作者: and M. Sano