Maxwellův démon pomáhá s výzkumem aktivních částic

Bakterie, mravenci, ptáci nebo umělé mikroskopické částice, to jsou příklady takzvaných aktivních systémů, které svůj pohyb přizpůsobují vnějšímu prostředí. Vědci se jejich chování snaží pochopit a tyto poznatky následně využít třeba při vývoji chytrých materiálů a robotů.

Studium pohybu aktivních částic je však poměrně komplikované. Laboratorní podmínky totiž mohou výsledky výzkumu zkreslit, například když částice narazí do stěny laboratorní nádoby. Tým výzkumníků z Univerzity v Lipsku a Univerzity Karlovy nyní našel způsob, jak podobné překážky obejít.

Fyzici zkoumali vlastnosti uměle vytvořených aktivních částic v podobě miniaturních kuliček složených ze dvou různých materiálů (zlata a skla), které se pohybovaly ve vodě a které při osvícení laserem plavaly ve směru své osy symetrie skleněnou částí dopředu. Tyto „mikroplavce“ uzavřeli do oblasti s prostorově proměnnou intenzitou laseru – pomyslné obdélníkové arény, v jejíž jedné polovině byla rychlost částic nulová a ve druhé nenulová, ale konstantní. V této oblasti je pak udržovali po několik dní za pomoci laserového ohřevu, tedy bez využití fyzických bariér či vnějších sil.

Experimentální metoda, kterou tým vyvinul, je založena na zpětné vazbě, jež má charakter slavného Maxwellova démona: opustí-li částice experimentální oblast, počítač (démon), který řídí experiment, počká, až se vlivem rotačního Brownova pohybu vhodně natočí a pak na ni posvítí laserem. Po osvícení částice sama doplave zpět do experimentální arény.

„Tato metoda nám umožnila změřit klíčové vlastnosti našich aktivních částic v oblastech s prostorově proměnnou aktivitou bez působení vnějších sil, což je velmi důležité. Hlavní měřené vlastnosti jsou totiž změna hustoty částic a jejich polarizace (orientace) způsobená nehomogenitami v aktivitě, přičemž tyto vlastnosti jsou na vnější síly velmi citlivé,“ upřesňuje dr. Viktor Holubec z Katedry makromolekulární fyziky MFF UK, jenž je spoluautorem studie. „Je to poprvé, kdy se něco takového povedlo a tedy poprvé, kdy máme dostatečně věrohodná data o chování polarizace a hustoty aktivních částic na aktivně-pasivních rozhraních,“ dodává.

Aktivní částice vytvářejí při pohybu na rozhraních charakteristické vzory, jejichž přesná podoba zůstávala badatelům dosud skrytá. Fyzici v rámci studie nabízejí podrobné teoretické vysvětlení těchto jevů, které dokonale koresponduje s experimentálními daty. „Tato shoda nám dává jistotu, že experiment skutečně funguje, jak má. Teorie totiž všechny vnější síly zanedbává,“ podotýká dr. Holubec.

Nová metoda i poznatky najdou uplatnění při studiu pohybu dalších aktivních částic, jako jsou například bakterie, které se běžně vyskytují na podobných aktivně-pasivních rozhraních. Právě na bakterie se teď fyzici hodlají zaměřit při dalším testování své metody.

Studie How Activity Landscapes Polarize Microswimmers without Alignment Forces vyšla v červnu v časopise Physical Review Letters, kde byla zařazena do prestižní sekce „doporučení editora“ (Editors' Suggestion).

Podrobný popis teoretické části práce obsahují články Polarization-density patterns of active particles in motility gradients a Density and polarization of active Brownian particles in curved activity landscapes publikované ve Physical Review E.

Výzkum je součástí bilaterálního projektu Dynamika a termodynamika umělých a přírodních aktivních systémů se zpožděním financovaného Grantovou agenturou ČR (GAČR) a Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

OPMK