Collective self-sorting on a chip

ソート（選別）とは、組織化における根本的な行為であり、さまざまなものが入り混じった混沌とした塊が、それぞれの場所を見出すプロセスである。物理学の静かな世界において、システムが静止している場合、この組織化は通常、石が池の底に沈んでいくように、構成要素が最も低いエネルギー状態へと落ち着くことによって起こる。しかし、世界が静止していることは稀である。科学者が「アクティブマター（能動的物質）」と呼ぶ、常に動き続け、エネルギーを消費しているシステムにおいては、ルールが変わる。ここでは、粒子は熱による穏やかな刺激を待つのではなく、自ら推進力を生み出す。これらの自走する粒子が、異なる動きをする他の粒子と混ざり合うとき、それらは単に疲れているからではなく、その動き自体が互いを押し離すことによって、自発的に分離することがある。この現象は、外部のふるいや複雑な機械に頼ることなく、粒子の挙動そのものを利用して微小な物体を選別するという、新しい方法を提示している。

ライデン大学の研究チームは、今やこの原理を実用的なデバイスへと変貌させた。それは、曲がった経路へと誘導するだけで、自走する微小粒子の混合物を選別できるマイクロ流体チップである。科学者たちは、ポリスチレンと、ポリメチルメタクリレートと呼ばれる別のプラスチックからなる、2種類の微小なローラーの混合物から実験を開始した。特定の液体の中に置かれ、電場にさらされると、これらの粒子は表面を転がり始め、密集した渦巻く群衆を形成する。研究者たちは、もしこれら2種類の粒子の速度が異なれば、自然に分離することを発見した。つまり、速い粒子は渦の外縁へと移動し、遅い粒子は中心に集まるのである。この分離は、粒子の大きさや材質によって固定されているのではなく、完全にその速度の違いによって駆動されている。電場を調整することで、チームはどちらのタイプの粒子が速くなるかを逆転させることさえでき、リーダー（速い方）が外側のリングを取るように、選別パターンを一瞬で反転させることができた。

この分離がどのように機能しているのかを正確に理解し、それを有用なものにするために、研究者たちは数千個の粒子の挙動をシミュレートするコンピュータモデルを構築した。彼らは、速度の違いさえあれば、たとえ粒子のサイズが異なっていても、分離を駆動させるのに十分であることを確認した。また、シミュレーションは容器の形状に関する重要な詳細も明らかにした。すなわち、粒子が狭く湾曲した空間に閉じ込められているとき、分離が最も効率的に起こるということである。大きく開かれた円形では分離は起こるものの、時間がかかる。より小さくタイトな円形は、粒子をはるかに速く再編成させる。この洞察は、重要な設計原則をもたらした。粒子を迅速かつ効果的に選別するためには、一つの大きな部屋ではなく、一連の小さな曲線のチャネルを使用すべきであるということだ。

研究者たちはその後、これらの知見を物理的なデバイスへと落とし込んだ。彼らは、連続する曲線セクションからなる、蛇行したスネーク状のチャネルを持つチップを設計した。混合懸濁液がデバイス内を流れるにつれ、速い粒子は各曲線の外側の壁へと押しやられ、遅い粒子は内側の壁へと押しやられる。各曲線セクションの終端では、小さな壁が、速い粒子の外側の流れを一つの出口へ、内側の遅い粒子の流れを別の出口へと導く。チームは、実際の粒子を用いてこの設計をテストし、混合懸濁液をチップ内に注入した。混合物がデバイスの10個の曲線ユニットを通過するにつれ、分離は各回転を経てより顕著になっていった。粒子が終端に達する頃には、2種類の粒子はほぼ明確に異なる流れへと選別されており、速い粒子は一方の出口に、遅い粒子はもう一方の出口に回収されていた。

この研究は、能動的な粒子の集合的な振る舞いを利用して、連続的で自律的な選別機を作り出せることを示している。このデバイスは、フローが開始された後は、成分を分離するために複雑な可動部品や外部電場を必要としない。チャネルの幾何学的形状と粒子の自らの運動性が、残りの作業を行うのである。研究者たちは、経路の曲率と内部壁の位置を注意深く調整することで、分離された流れの純度と、どれだけの粒子を回収できるかの両方を制御できることを示した。このデバイスは特定の種類の自走粒子を用いてテストされたが、その根底にある原理は、粒子の移動速度に基づいて微小物体を選別するための新しい道を示しており、穏やかで連続的な選別が必要とされる将来のマイクロ流体工学への応用への可能性を提示している。