Tänk dig en liten munkformad droppe, täckt med vridande maskar. Maskarna packas så tätt ihop att de lokalt måste ställa upp i förhållande till varandra. I den här situationen, vi skulle säga att maskarna bildar en nematisk flytande kristall, en ordnad fas som liknar materialen som används i många platta skärmar.

Dock, den nematiska fasen som bildas av maskarna är fylld med små områden där den lokala inriktningen går förlorad - defekter i det annars inriktade materialet. Dessutom, eftersom maskarna hela tiden rör sig och ändrar konfiguration, denna nematiska fas är aktiv och långt ifrån jämvikt.

I forskning som rapporterats i tidningen Naturfysik , forskare från Georgia Institute of Technology och Leiden University i Nederländerna har beskrivit resultaten av en kombinerad teoretisk och experimentell undersökning av en så aktiv nematiker på ytan av munkformade - toroidala - droppar. Dock, forskarna använde inte verkliga maskar, men en aktiv nematic som består av flexibla trådar täckta med mikroskopiska motorer som ständigt omvandlar energi till rörelse.

Detta specifika aktiva material, ursprungligen utvecklad vid Brandeis University, lånar in delar av cellulära maskiner, med buntar av stavliknande mikrotubuli som bildar filamenten, kinesin motorproteiner som fungerar som motorer, och ATP som bränsle. När denna aktivitet kombineras med defekter, defekterna "kommer till liv, "flytta runt som simmikroorganismer och utforska rymden - i det här fallet, utforska ytan på de toroidala dropparna.

Genom att studera toroidala droppar som omfattas av denna aktiva nematiska, forskarna bekräftade en mångårig teoretisk förutsägelse om flytande kristaller vid jämvikt, först diskuterad av Bowick, Nelson och Travesset [Phys.Rev. E 69, 041102 (2004)] att nematiska defekter på den krökta ytan på sådana droppar kommer att vara känsliga för den lokala krökning. Dock, eftersom den aktiva nematiken som används i detta arbete är långt ifrån jämvikt, forskarna fann också hur den interna aktiviteten förändrades och berikade förväntningarna.

"Det har förekommit förutsägelser som säger att defekter är mycket känsliga för det utrymme de bor, specifikt till rymdens krökning "sa Perry Ellis, en doktorand vid Georgia Tech School of Physics och tidningens första författare. "Torus är ett bra ställe att undersöka detta eftersom torus utsida, den del som lokalt ser ut som en sfär, har positiv krökning medan den inre delen av en torus, delen som ser ut som en sadel, har negativ krökning. "

"Mängden som kännetecknar en defekt är vad vi kallar dess topologiska laddning eller lindningsnummer, "sade Alberto Fernandez-Nieves, en professor i Georgia Tech's School of Physics och en annan av tidningens medförfattare. "Det uttrycker hur inriktningsriktningen för den nematiska flytande kristallen förändras när vi går runt defekten. Denna topologiska laddning kvantiseras, vilket betyder att det bara kan ta värden från en diskret uppsättning som är multiplar av hälften. "

I dessa experiment, varje defekt har en topologisk laddning på +1/2 eller -1/2. För att bestämma laddningen och platsen för varje defekt, Ellis observerade de toroidala dropparna över tiden med hjälp av ett konfokalt mikroskop och analyserade sedan den resulterande videon med hjälp av tekniker som lånats från datorsyn. Forskarna fann att även om molekylmotorerna driver systemet ur jämvikt, defekterna kunde fortfarande känna av krökning, med +1/2 -defekterna som migrerar mot regionen med positiv krökning och -1/2 -defekterna som migrerar mot regionen med negativ krökning.

I detta nya arbete, forskarna tog ett steg framåt för att förstå hur man kontrollerar och styr defekter i ett beställt material.

"Vi har lärt oss att vi kan styra och styra delvis ordnat aktivt material med hjälp av krökning av det underliggande substratet, "sa Fernandez-Nieves." Detta arbete öppnar möjligheter att studera hur defekterna i dessa material ordnar sig på ytor som inte har konstant krökning. Detta öppnar dörren för att kontrollera aktiva ämnen med krökning. "

En oväntad upptäckt av studien var att den konstanta rörelsen av defekterna gör att den genomsnittliga topologiska laddningen blir kontinuerlig, tar inte längre bara värden som är multiplar av hälften.

"I den aktiva gränsen för våra experiment, vi fann att den topologiska laddningen blir en kontinuerlig variabel som nu kan anta vilket värde som helst, "sa Fernandez-Nieves." Detta påminner om vad som händer med många kvantsystem vid hög temperatur, där kvanten, de åtkomliga tillståndens och de associerade variablernas diskreta natur går förlorad.

Istället för att kännetecknas av kvantiserade egenskaper, systemet kännetecknas av kontinuumegenskaper. "

Ellis 'observationer av dropparna jämförde sig bra med numeriska simuleringar gjorda av biträdande professor Luca Giomi och postdoktoral forskare Daniel Pearce vid Instituut-Lorentz för teoretisk fysik vid Universiteit Leiden i Nederländerna.

"Vår teoretiska modell hjälpte oss att dechiffrera de experimentella resultaten och fullt ut förstå den fysiska mekanismen som styr defektrörelse, "sade Pearce, "men tillät oss också att gå längre än de nuvarande experimentella bevisen." Tillagde Giomi:"Aktivitet förändrar arten av interaktionen mellan defekter och krökning. I svagt aktiva system, defekter lockas av regioner med Gauss-krökning med liknande tecken. Men i starkt aktiva system, denna effekt blir mindre relevant och defekter beter sig som ihållande slumpmässiga vandrare som är inneslutna i ett slutet och inhomogent utrymme ".

Det finns många exempel på aktiva system som drivs av intern aktivitet, inklusive simmikroorganismer, fågelflockar, robotsvärmar och trafikflöden. "Aktiva material finns överallt, så våra resultat är inte begränsade till bara detta system på en torus, "Tillade Ellis." Du kan se samma beteende i alla aktiva system med defekter. "

Forskningen sätter scenen för framtida arbete med aktiva vätskor. "Våra resultat introducerar ett nytt ramverk för att utforska de mekaniska egenskaperna hos aktiva vätskor och föreslår att delvis ordnat aktivt material kan styras och styras via gradienter i den underliggande substratets inneboende geometri, "skrev författarna i en sammanfattning av sin uppsats.