Universiteit Leiden

nl en

Anders gedrag actieve materie op gekromd oppervlak

Nematische vloeibare kristallen vormen de hoofdbestanddelen van de meeste televisies. De actieve variant van deze complexe vloeistoffen vormt een handig model voor natuurkundigen om de reactie te onderzoeken van actieve materie—zoals bacteriën of verkeersstromen—op mechanische en meetkundige signalen. Een internationaal onderzoeksteam publiceert hun resultaten in Nature Physics.

Stel je eens een kleine donutvormige druppel voor, bedekt met kronkelende wormen. Ze zitten zo op elkaar vastgepakt dat ze gedwongen worden om netjes parallel aan elkaar te liggen. In deze situatie zouden we zeggen dat de wormen een nematisch vloeibaar kristal vormen: een geordende fasetoestand die je vindt in tv-schermen en telefoons. En omdat de wormen constant in beweging zijn, zouden natuurkundigen dit nematische vloeibare kristal actief noemen.

Defecten

Leids natuurkundigen Luca Giomi en Daniel Pearce hebben, in samenwerking met de experimentele groep van Alberto Fernandez-Nieves van George Tech, zo’n actief nematisch vloeibaar kristal onderzocht. Die is alleen niet gemaakt van wormen, maar van microtubuli en motoreiwitten en is bevolkt door een hoge dichtheid van defecten—kleine gebiedjes waar de nette uitlijning weg is. De biochemische activiteit die de motoreiwitten produceren, wekt de defecten tot leven, zodat ze rond gaan zwemmen als micro-organismen en de donutvormige ruimte gaan ontdekken.

Lokale kromming

Giomi en zijn collega’s van Georgia Tech hebben uitgevonden hoe de actieve defecten reageren op de lokale kromming van de omgeving. Eerder was dit alleen bekend voor stationaire defecten. Het maakt het onderzoek beter toepasbaar op het echte leven, waar systemen altijd actief zijn, zoals bacteriën, vogelzwermen en verkeersstromen. ‘Activiteit verandert de natuur van de interactie tussen defecten en kromming,’ legt Giomi uit. ‘In zwak actieve systemen worden defecten selectief aangetrokken door de kromming van de omgeving. Maar in sterk actieve systemen wordt dit effect minder relevant en gedragen defecten zich als onvermoeibare slaapwandelaars binnen een gesloten en inhomogene ruimte.’

Controle

‘We hebben geleerd dat we geordende actieve materie deels kunnen sturen met gebruik van de kromming van het onderliggende substraat,’ zegt Fernandez-Nieves. ‘Dit werk biedt mogelijkheden om te bestuderen hoe de defecten in deze materialen zich ordenen op oppervlakken die geen constante kromming hebben. Het opent de deur richting het besturen van actieve materie via kromming.’

Publicatie

Perry W. Ellis, Daniel J. G. Pearce, Ya-Wen Chang, Guillermo Goldsztein, Luca Giomi, Alberto Fernandez-Nieves, 'Curvature-induced Defect Unbinding and Dynamics in Active Nematic Toroids', Nature Physics