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Active Reinforcement of Jammed Emulsions by Living Microswimmers

本研究は、運動性のあるクラミドモナス・ラインハルディ（*Chlamydomonas reinhardtii*）のマイクロスイマーが、液滴による閉じ込めがスイマーの推進力を増幅させ、それによって活動誘起的な引力的相互作用を介して微細構造を硬化させるというフィードバックループを通じて、ジャミング状態にある水中ヒマシ油エマルションの降伏応力を倍増させ、機械的に補強することを実証している。

原著者： Marie Corpart, Hugo Le Roux, Daniel Bonn, Antoine Deblais

公開日 2026-08-24

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CC BY 4.0

原著者： Marie Corpart, Hugo Le Roux, Daniel Bonn, Antoine Deblais

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ソフトマター物理学は、固体でも液体でもない、流動的でありながら構造を持つという、物質の奇妙で中間的な世界を探索している。マヨネーズ、歯磨き粉、あるいは厚手の塗料を思い浮かべてほしい。これらの物質は、強く押しさえすれば流動するが、そのままにしておけば形を保つ。この挙動は多くの場合、「ジャミング」と呼ばれる状態から生じる。これは、微細な粒子や液滴が非常に密に詰まり合い、互いにロックされて硬いネットワークを形成する状態である。科学者たちは、単純で受動的な成分を用いてこの現象がどのように起こるかを長らく理解してきたが、そこに「生命」を加えることで、新たな境地が開かれようとしている。問いはもはや、粒子がいかにしてジャミングするかだけではなく、それらの粒子が、隣人と絶えず押し合い引き合う小さな泳ぎ手（スウィマー）たちで混み合っているとき、何が起こるのか、ということである。この相互作用を理解することは、いつの日か、内部の微視的な生命の活動をオンにしたりオフにしたりするだけで、強さや質感を変化させることができる材料を設計することにつながるかもしれない。

アムステルダム大学の研究者たちは、最近の研究において、まさにこのシナリオを調査するために、厚手の油性の混合物を作り、そこに生きた藻類を充填するという実験を行った。彼らは、ヒマシ油の液滴を水の中に懸濁させたエマルジョンから出発した。この系は、油が十分な体積を占めるようになると、自然に硬いジャム状態の固体となる。この混合物に、彼らは2本の小さな尾を振って泳ぐ単細胞藻類であるクラミドモナス・レナハルディ（Chlamydomonas reinhardtii）を加えた。チームは、何が材料の変化を実際に駆動しているのかをテストするために、3つの異なるバージョンの混合物を作成した。最初のバージョンは、油と水のみを含んでいた。2番目は、同じ油と水を含んでいるが、藻類を死滅させて固定したものであり、藻類は小さな石のように静止していた。3番目は、生きて泳いでいる藻類を含んでいた。各混合物を流動させるためにどれほどの力が必要かを注意深く測定することで、研究者たちは、泳いでいる生き物たちが材料を著しく強くし、場合によっては流動に対する抵抗を2倍にすることを発見した。全く同じ場所に座っていた死んだ藻類は、ほとんど影響を与えなかった。このことは、余分な強さが、単に藻類が場所を占有していることからではなく、彼らが泳いでいる間に費やす活動的なエネルギーから来ていることを証明した。

この補強の鍵は、藻類が経験する「きつい締め付け」にある。研究者が混合物中の油の量を増やしていくにつれて、液滴はより密に詰まり、藻類が泳ぐための隙間はますます小さくなっていった。チームは高性能の顕微鏡を使用して個々の藻類の動きを追跡し、隙間が狭くなるにつれて、藻類が周囲の油滴によって形成された、より小さな「ケージ（籠）」の中に押し込められていくことを見出した。これらの狭い空間では、藻類は移動するために、自身のケージの壁に対してより強く押し付けられなければならない。この閉じ込めが、彼らが及ぼす力を増幅させたのである。研究者たちは、閉じ込めが強ければ強いほど、藻類が及ぼす力が大きくなり、それが結果として油滴のネットワーク全体をより硬く、壊れにくくすることを発見した。これは自己強化的なループである。混み合った環境が泳ぎ手を閉じ込め、その閉じ込めが彼らをより強く押し付けさせ、その余分な押しが材料をよりしっかりと結合させるのである。

この発見は、混合物に生き物を加えることが常に流動性を高めるとは限らないという考えに異を唱えるものである。一部の泳ぐ細菌は液体を薄める（低粘度化させる）ことが知られているが、この藻類は、尾を使って水を引くことで、ジャム状態の混合物を硬化させる働きをした。この研究は、藻類が油滴の間に一種の「目に見えない接着剤」を作り出し、実質的にそれらを引き寄せ、構造全体を破壊に対してより強くすることを示唆している。研究者たちは、藻類がどの程度閉じ込められているかを見ることで、関与する力を推定することができ、その計算はラボで測定された余剰な強度と一致した。この研究は、材料の構造が生きている泳ぎ手の挙動を制御し、逆に泳ぎ手が材料の強度を制御するというフィードバック・メカニズムを特定した。これは、物質の機械的特性が、その内部にある微視的な生命の活動を管理するだけで、プログラムしたり調整したりできるという、ソフトマテリアルの新しい考え方への扉を開くものである。

問題と背景
ジャミングは、無秩序な粒子充填が臨界充填率（ $\phi$ ）を超えると剛性を獲得する、ソフトマターにおける基本的な転移現象である。アセトール（非熱的）で純粋に反発的な系、例えばエマルションにおいては、これはランダム最密充填（RCP）で発生し、材料は剪断希薄な流体から、有限の降伏応力（ $\sigma_y$ ）を持つ固体へと転移する。引力相互作用（デプレッションなどによる）は、 $\phi_c$ 未満でも固体の挙動を誘起させることがあるが、能動的な包含物がこの剛性・流体境界をいかに移動させるかについては、依然として不明である。能動的な懸濁液に関する過去の数値計算研究や実験では、相反する結果が得られている。プッシャー型の遊泳者は粘度を低下させ、アンジャミング（脱ジャミング）を促進することが多い一方で、プルラー型の遊泳者（Chlamydomonas reinhardtii など）は粘度を上昇させることがある。しかし、能動的な粒子が受動的な構成要素と同程度のサイズであり、かつ、それらに埋め込まれ、ジャミングしたソフトソリッドによってケージング（籠状に閉じ込め）されている特定の領域については、実験的に検証されていない。中心となる問いは、閉じ込められたマイクロスウィマーとジャミングしたソフトソリッドとの間の機械的な結合が、マクロなレオロジーにどのように影響するかである。

手法
著者らは、生体適合性界面活性剤であるPluronic F-127で安定化された、キャスターオイル／水のエマルションを調査した。系は、平均液滴半径 $\approx 5$ $\mu$ m で調製されており、これは微細藻類 Chlamydomonas reinhardtii のサイズと同程度である。本研究では、広範な油分率（ $\phi_{oil}$ = 0.40 から 0.80）にわたって、以下の3つの異なる状態を比較した：

受動的（Passive）: 藻類を含まないエマルション。
静止包含物（Static Inclusions）: ルゴール液によって藻類を固定（運動性は抑制されているが、細胞の存在は維持されている）したエマルション。
能動的（Active）: 能動的で生存している藻類を含むエマルション。

実験的アプローチには以下を組み合わせた：

振動レオメトリー: ストレススィープを実施して貯蔵弾性率（ $G'$ ）および損失弾性率（ $G''$ ）を測定し、接線法を用いて降伏応力（ $\sigma_y$ ）を抽出した。
共焦点顕微鏡: Nile Red でラベル付けされた油滴とクロロフィル自発蛍光により、液滴ネットワークの可視化および個々の藻類の配置の追跡を行った。
単一細胞トラッキング: 藻類の平均二乗変位を分析することで、液滴ネットワーク内の隙間における閉じ込め長さ（ $\xi$ ）を定量化した。

主要な結果

能動性による強化: 振動レオメトリーにより、能動的な藻類がエマルションの降伏応力を、藻類を含まない試料と比較して最大2倍まで系統的に増加させることが明らかになった。この強化は、古典的なRCP閾値以下を含む、全範囲の油分率において観察された。
能動性とステリック効果: 固定された藻類を含むエマルションは、藻類を含まないものと実質的に同一の降伏応力を示した。これにより、強化が包含物の単なるステリック（立体障害的）な存在ではなく、遊泳者の「能動性（プロパルジョン）」に由来することが確認された。
閉じ込めによる推進力の増幅: 単一細胞トラッキングにより、油分率が増加するにつれて液滴ネットワークが間隙を縮小させ、藻類を閉じ込めることが示された。閉じ込め長さ $\xi$ は $\phi_{oil}^{-2}$ に比例してスケールする。
定量的合致: 著者らは、閉じ込めと推進力の関係（C. reinhardtii において、強い閉じ込め下では力が指数関数的に増加する）に基づき、能動的応力の寄与（ $\sigma^a_\phi$ ）を推定した。測定された閉じ込めのスケーリングを用いることで、単純なモデルは、測定された過剰降伏応力の大きさとその変化と一致する能動的応力の増加を予測した。

メカニズムと解釈
論文は、以下のフィードバックループ・メカニズムを提案している：

ジャミングしたエマルションの高密度な微細構造が、スウィマーを縮小する隙間に閉じ込める。
この閉じ込めが、藻類が及ぼす推進力を増幅させる（これはバルクの閉じ込め研究ですでに確立されている現象である）。
これらの増幅された能動的な力が、受動的な液滴間に実効的なデプレッション様（枯渇圧様）の引力を発生させ、接触ネットワークを強化し、マクロな降伏応力を増大させる。

意義と主張
著者らは、能動的なエマルションを、能動性を介して無秩序なソフトソリッドの力学をプログラミングするためのモデルプラットフォームとして特定している。本研究は、生物学的な能動性が、受動的な包含物によって達成可能な範囲を超えて、高密度エマルションの剛性を高めるための調整可能な制御パラメータとして機能し得ることを示している。決定的なことに、本研究は、閉じ込めと能動的応力生成の相互作用を利用することで、能動的な寄与の符号（流動化か硬化か）は、遊泳メカニズム（プルラーかプッシャーか）と受動的なマトリックスの状態（ジャミングしているか否か）の両方に依存することを示唆している。これは、閉じ込めと能動的応力生成の相互作用を巧みに利用することで、プログラム可能な機械的特性を持つ能動的材料を設計するための道筋を提供するものである。

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