Международный коллектив ученых показал, как неупорядоченное внешнее воздействие способно качественно менять коллективное поведение активной материи: группы движущихся частиц или, к примеру, стаи птиц или толпы людей. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Авторы изучали, как отличается движение активных коллоидных частиц (размером несколько микрон), если внешнее воздействие было равномерным или неравномерным, но с такой же средней интенсивностью. В качестве этого воздействия выступал лазерный луч, который при обычных условиях заставляет коллоидные частицы фокусироваться в одной области (такой метод часто называют «оптическим пинцетом»).

Для того, чтобы активировать частицы, в раствор также добавляли суспензию бактерий E.coli. Эти микроорганизмы обладают собственной подвижностью, а за счет столкновений также заставляют соседние коллоидные частицы двигаться быстрее, чем в обычном диффузионном режиме. Из-за небольшого перепада температуры, который создавал лазерный луч, концентрации бактерий внутри и снаружи него были разными. Это приводило к тому, что в центре освещенного пятна коллоидным частицам было менее выгодно находиться.

Ученые рассматривали два варианта внешнего облучения: 1) лазерное пятно равномерно; 2) лазерное пятно хаотично рассеяно, то есть содержит островки с большей или меньшей интенсивностью. При этом в каждом случае рассматривались системы в присутствии бактерий или без них.

Слева: различные формы освещенного пятна. Справа: движение коллоидных частиц в четырех различных экспериментах. Изображение: Erçağ Pinçe et al./ Nature Communications

В неактивированной системе (без клеток бактерий) поведение частиц качественно не различалось в зависимости от облучения: с течением времени они концентрировались внутри освещенного пятна, образуя плотную упаковку. Однако в присутствии бактерий частицы двигались в противоположные стороны: при равномерное облучении они медленно фокусировались внутри пятна, а при хаотичном — так же медленно покидали освещенную область.

Авторы объясняют такие необычные результаты тем, что при равномерном облучении существует лишь один локальный центр, где выгоднее всего находится частицам. При этом те из них, кто уже попал в центр, «прижимаются» снаружи другими частицами, поэтому не могут выйти из него.

В случае неравномерного освещения глобальный минимум энергии (то есть наиболее выгодное положение) по-прежнему один, однако локальных минимумов множество. Каждый из них может «захватить» частицу, что нарушает плотную упаковку и общую симметрию системы. В итоге из-за повышенной концентрации бактерий в освещенном участке частицам все же оказывается выгоднее выйти из этой области.

Результаты нового исследования, по мнению авторов, применимы ко многим частным случаям активных систем. Наиболее близкой аналогией является аномальная диффузия, которая наблюдается внутри живых клеток. Однако ученые приводят и другие примеры: стаи перелетных птиц или большие скопления людей. Во всех случаях неравномерное внешнее воздействие может играть ключевую роль в том, какой механизм движения установится в системе.

Автор: Тарас Молотилин