集団運動

集団運動は、多くの自発的な運動主体からなるシステムにおいて、秩序だった運動が自発的に発生することと定義される。日常生活では、例えば鳥の群れ、魚の群れ、動物の群れ、また群衆や車の交通で観察することができる。また、細菌のコロニー、運動性試験、人工の自発的粒子など、微視的レベルでも見られる。^{[1] [2] [3]}科学界はこの現象の普遍性を理解しようとしている。特に、統計物理学や活性物質の分野で集中的に研究されている。動物実験、^[4]生物および合成の自発的粒子、シミュレーション^[5]および理論^{[6] [7]}が並行して行われ、これらの現象を研究している。このような行動を記述する最も有名なモデルの 1 つは、 1995 年にTamás Vicsekらによって導入されたVicsek モデルである。^[8]

出典: ^[9]

自然界の生物系と同じように、自己推進粒子も外部勾配に反応し、集団行動を示します。マイクロモーターやナノモーターは、自己生成勾配と相互作用し、群れ行動や排除行動を示します。^[10]たとえば、Ibeleらは、塩化銀マイクロモーターが紫外線の存在下で高濃度で相互作用し、群れを形成することを実証しました。^[11]同様の行動は、二酸化チタン微粒子でも観察されます。^[12]オルトリン酸銀微粒子は、アンモニア、過酸化水素、紫外線に反応して、群れ行動と排除行動の間の遷移を示します。^{[13] [14]}この行動は、2 つの異なる刺激 (アンモニアと紫外線) の異なる組み合わせが異なる出力を生成するため、NOR ゲートの設計に使用できます。群れ行動と排除行動の間の振動は、過酸化水素濃度の変化によっても調整可能です。これらの振動によって生成される流体の流れは、マイクロスケールの貨物を輸送するのに十分な強さがあり、密に詰まったコロイド結晶系の組み立てを導くことさえできます。^[15]運動性エマルジョンは、創発的な集団行動を示すことも知られています。^{[16] [17]}たとえば、油と界面活性剤の組み合わせは、水中油型エマルジョンで変更することができ、液滴間の引力相互作用と反発相互作用を切り替えることができます。^[18]液滴間のこれらの相互作用は、動的な自己組織化パターンの形成を促進します。^[19]

マイクロモーターとナノモーターは、外部から加えられた化学勾配の方向に優先的に移動することもでき、この現象は走化性として定義されています。走化性は、化学物質の勾配内に置かれると過酸化水素の発生源に向かって拡散する自己推進型の Au-Pt ナノロッドで観察されています。^[20]グラブス触媒が結合したシリカ微粒子も、モノマー濃度が高い方向に移動します。^[21]酵素もナノモーターとして動作し、基質濃度が高い領域に移動します。これは酵素走化性として知られています。^{[22] [23]}酵素ナノモーター走化性の興味深い用途の 1 つは、マイクロ流体チャネル内での活性酵素と不活性酵素の分離です。^{[24]もう 1 つは、解糖カスケードの最初の 4 つの酵素、ヘキソキナーゼ、ホスホグルコースイソメラーゼ、ホスホフルクトキナーゼ、アルドラーゼの協調運動を研究することによる}メタボロン形成の調査です。^{[25] [26]}最近では、酵素コーティング粒子と酵素コーティングリポソーム^[27]が、マイクロ流体チャネル内の反応物の勾配において同様の挙動を示している。^[28]一般に、生物学的および合成された自己推進粒子の走化性は、マイクロスケールでの動きを方向付ける方法を提供し、薬物送達、センシング、ラボオンチップデバイスなどのアプリケーションに使用できます。^[29]

• 細菌の集団運動
• 動物の集団行動
• 集団細胞移動
• マイクロスイマー

• Bricard, A.; Caussin, JB; Desreumaux, N.; Dauchot, O.; Bartolo, D. (2013). 「運動性コロイド集団におけるマクロ的指向性運動の出現」. Nature . 503 (7474): 95–98. arXiv : 1311.2017 . Bibcode :2013Natur.503...95B. doi :10.1038/nature12673. PMID  24201282. S2CID  1174081.
• ヴィセク、T.ザフェイリス、A. (2012)。 「集団運動」。物理レポート。517 (3): 71–140。arXiv : 1010.5017。Bibcode :2012PhR...517...71V。土井：10.1016/j.physrep.2012.03.004。S2CID  119109873。

• 物理学者たちが集まり、集団運動の力学を研究するThe Guardian、2014年1月13日。