Flockar av starar som producerar bländande mönster över himlen är naturliga exempel på aktiv materia - grupper av individuella agenter som går samman för att skapa kollektiv dynamik. I en studie presenterad på omslaget till 6 mars-numret av tidskriften Vetenskap , ett team av forskare som inkluderar Brown University-fysiker avslöjar nya insikter om vad som händer i system med aktiv materia.

Forskningen beskriver experiment med en tredimensionell aktiv nematikum. Nematic beskriver ett tillstånd av materia som uppstår i den typ av flytande kristaller som ofta används i smartphones och tv-skärmar. De cigarrformade molekylerna i flytande kristaller kan röra sig som i en vätska, men tenderar att hålla ordning mer eller mindre åt samma håll, lite som en kristall.

I en normal flytande kristall, molekylerna är passiva, vilket betyder att de inte har förmågan att köra själv. Men systemet som är involverat i denna nya studie ersätter de passiva molekylerna med små buntar av mikrotubuli, var och en med förmågan att förbruka bränsle och driva sig själva. Målet med forskningen var att studera hur dessa aktiva element påverkar systemets ordning.

"Dessa mikrotubuli tenderar att anpassa sig, men också ständigt förstöra sin egen ordning i linje med sin rörelse, " sa studiens medförfattare Daniel Beller, en biträdande professor i fysik vid University of California, Merced, som började arbeta med forskningen medan han var postdoktor vid Brown. "Så det finns kollektiva rörelser som skapar defekter i inriktningen, och det är vad vi studerar här."

Allt eftersom systemet utvecklas, defekterna verkar komma till liv i någon mening, skapa linjer, slingor och andra strukturer som slingrar sig genom systemet. Forskarna studerade strukturerna med topologi, en gren av matematik som handlar om hur saker deformeras utan att gå sönder.

"Om ditt mål är att förstå dynamiken i dessa system, sedan ett sätt att göra det är att fokusera på dessa framväxande topologiska strukturer som ett sätt att karakterisera dynamiken, sade Robert Pelcovits, en professor i fysik vid Brown och en studiemedförfattare. "Om vi ​​kan få vägledande principer från detta enkla system, som kan hjälpa oss att förstå mer komplicerade sådana."

Beller, Pelcovits och Thomas Powers, en professor i teknik och fysik vid Brown, ledde det teoretiska arbetet för studien. Det experimentella arbetet utfördes av forskare från Brandeis University och University of California, Santa Barbara. Forskare från Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation, University of Chicago, Brandeis och Eindhovens tekniska universitet bidrog med expertis inom datormodellering.

Den här typen av arbete hade gjorts i tvådimensionella system, men det här är första gången ett 3D-system har studerats på detta sätt. Forskningen visade att de dominerande topologiska strukturerna i systemet var loopstrukturer som uppstår spontant, expandera och sedan självförinta.

Slingorna är relaterade till de typer av defekter som uppstår i bättre studerade 2D-system, men de skiljer sig på ett avgörande sätt, säger forskarna. I 2D, defekter uppstår i par av punkter som har motsatta egenskaper eller "laddningar, " lite som partiklar och antipartiklar. När de väl bildas, de existerar tills de så småningom stöter på en defekt med motsatt laddning, vilket får dem att förinta.

Slingorna som bildas i 3D, i kontrast, har ingen avgift. Som ett resultat, de bildar och förintar allt på egen hand. De är fortfarande relaterade till 2D-defektstrukturerna, dock. Faktiskt, 3D-slingorna kan ses som förlängningar av 2D-punktdefekter. Föreställ dig två punktdefekter som sitter på en 2D-yta. Koppla nu ihop de två punkterna med en båge som stiger upp ur 2D-ytan, och en andra båge på undersidan av ytan. Resultatet är en slinga som har båda laddningarna av punkterna, men är själv laddningsneutral. Det möjliggör kärnbildning och förintelse helt på egen hand.

Forskarna är hoppfulla att denna nya förståelse av systemets dynamik kommer att kunna tillämpas i verkliga system som bakteriekolonier, strukturer och system i människokroppen, eller andra system.

"Vad vi hittade här är en ganska allmän uppsättning beteenden som vi tror kommer att vara fullt närvarande i liknande system som har denna tendens att anpassa sig, men som också omvandlar lagrad energi till rörelse, " sa Beller.