Collective dynamics of chemo-mechanical colloidal chains with active tips

In de microscopische wereld bestaat een klasse materialen die bekend staat als actieve materie. In tegenstelling tot een hoop zand of een druppel water, die stil blijven liggen tenzij ze door een externe kracht worden bewogen, bestaat actieve materie uit minuscule deeltjes die uit zichzelf bewegen. Deze deeltjes, vaak zwemmers genoemd, verbruiken energie uit hun omgeving om zichzelf vooruit te stuwen. Wanneer je er genoeg van samenbrengt, bewegen ze niet alleen willekeurig; ze beginnen te coördineren. Ze kunnen massieve, stromende groepen vormen die in unison bewegen, uiteenvallen in dichte klonten en lege ruimtes, of kolken in chaotische, draaiende stromingen die lijken op een storm in een kopje thee. Wetenschappers bestuderen al lang hoe deze groepen ontstaan, waarbij ze zich meestal richten op hoe de deeltjes tegen elkaar botsen of hoe het fluïdum waar ze doorheen zwemmen hen voortduwt. Echter, een nieuwe studie onderzoekt een ander soort interactie, een die plaatsvindt zonder enig fysiek contact of fluïdumstromingen, gedreven door louter chemische signalen.

Onderzoekers Arvin Gopal Subramaniam en Rajesh Singh van het Indian Institute of Technology Madras onderzochten een specifiek type actieve materie: ketens van minuscule kraaltjes, waarbij slechts de uiterste punt van de keten chemisch actief is. Stel je een snoer van kralen voor, maar alleen het eerste kraaltje in de rij is in staat tot een chemische reactie die een veld om zich heen creëert. Dit veld werkt als een signaal dat andere ketens kunnen voelen. De onderzoekers gebruikten computersimulaties om te kijken hoe deze ketens zich gedroegen wanneer ze samen werden geplaatst in een platte, tweedimensionale ruimte. Ze veranderden twee belangrijke zaken: hoe lang de ketens waren en hoe druk de ruimte was. Ze testten ook twee verschillende soorten chemische signalen: één die de ketens van elkaar wegduwde, en één die hen naar elkaar toe trok. Wat zij vonden was een verrassende variëteit aan gedragingen die verschenen zonder dat de ketens elkaar hoefden aan te raken of het fluïdum krachten tussen hen overdroeg.

Wanneer het chemische signaal de ketens van elkaar afstootte, hing het gedrag sterk af van de lengte van de keten. Voor de kortste ketens, die uit slechts twee kraaltjes bestonden, bereikte het systeem uiteindelijk een toestand waarin elke keten in dezelfde richting bewoog, zoals een zwerm vogels. Dit gebeurde zelfs terwijl de ketens elkaar van elkaar wegduwden. Voordat ze gingen flocken (als een zwerm bewegen), ging het systeem door een korte periode van chaotische, draaiende beweging, maar deze turbulentie was slechts een opstapje naar de geordende zwerm. Opmerkelijk genoeg werd de dichtheid van de ketens in deze flocking-toestand ongelooflijk uniform, met bijna geen klonten of gaten, een eigenschap die wetenschappers hyperuniformiteit noemen. Dit suggereert dat de afstotende chemische kracht sterk genoeg was om de menigte te egaliseren.

Naarmate de ketens langer werden, veranderde het verhaal. Voor ketens van gemiddelde lengte creëerde het afstotende signaal een toestand van constante, chaotische beweging die de onderzoekers actieve turbulentie noemen. In deze toestand vormden de ketens draaiende vortexen die in tegengestelde richtingen draaiden, wat een turbulente stroom creëerde die nooit tot rust kwam. Dit is significant omdat dergelijke turbulentie in eerdere studies werd gedacht te vereisen dat de ketens tegen het fluïdum waar ze doorheen zwommen, duwden. Hier ontstond de turbulentie puur door de chemische signalen tussen de uiteinden van de ketens, een "droge" route naar chaos die niet afhankelijk was van fluïdumdynamica. Voor nog langere ketens, of bij zeer lage dichtheden, trad het systeem een "zwermfase" binnen. Hier bewogen kleine groepen ketens lokaal samen, maar deze groepen waren niet op grote schaal met elkaar in lijn. De ketens draaiden in lokale vortexen, maar in tegenstelling tot de pure turbulentie was er geen grootschalige wanorde; de lokale groepen behielden hun eigen richting terwijl het hele systeem ongeordend bleef.

Toen de onderzoekers het chemische signaal veranderden naar aantrekking, waardoor de ketens naar elkaar toe werden getrokken in plaats van van elkaar afgestoten, organiseerden de ketens zich in compleet andere vormen. Ze vormden compacte, stekelachtige clusters waarbij de actieve uiteinden zich in het midden verzamelden en de passieve staarten naar buiten straalden. Deze structuur leek erg op een zeepmicel, een klein bolletje zeepmoleculen dat in water vormt, maar hier werd het volledig gecreëerd door de beweging en chemische aantrekking van de ketens zelf, niet door de gebruikelijke balans tussen olie en water. Voor de kortste ketens stapelden deze clusters zich op in gelaagde, ringvormige structuren. Bij hoge dichtheden pakten de ketens elkaar zo dicht op dat ze volledig stopten met bewegen, waardoor ze een rigide, glasachtige vaste stof vormden die op zijn plek was bevroren.

De onderzoekers bouwden ook een vereenvoudigde wiskundige theorie om te verklaren waarom de ketens zich zo gedroegen. Ze behandelden de flexibele ketens alsof het starre staven waren met een chemische bron aan één uiteinde. Deze theorie voorspelde correct dat korte ketens zouden flocken en dat langere ketens moeite zouden hebben met het uitlijnen, wat overeenkwam met de computersimulaties. Echter, de theorie overschatte het vermogen van langere ketens om perfecte zwermen te vormen, wat suggereert dat de flexibiliteit van de echte ketens en de complexe manier waarop ze elkaar in de weg zaten een grotere rol speelden dan het eenvoudige model kon vatten. De studie concludeert dat de eenvoudige handeling van het hebben van een chemische bron aan het uiteinde van een keten voldoende is om een breed spectrum aan collectieve gedragingen te genereren, van geordende zwermen tot chaotische turbulentie en gestructureerde aggregaten. Deze bevinding biedt een nieuwe, minimale manier om complexe actieve materie te creëren, wat suggereert dat we in staat kunnen zijn om nieuwe materialen te ontwerpen die zichzelf organiseren met behulp van louter chemische signalen, zonder dat we complexe fluïduminteracties of fysieke vormen hoeven te ontwerpen.