Topological control and topological phenomena of active matter
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20K14426
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
西口 大貴 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (20850556)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | アクティブマター / 集団運動 / アクティブ乱流 / 時空カオス / バクテリア / 非平衡物理学 / 生物物理学 / トポロジカル物性 / カオス / 高次元力学系 / バクテリア乱流 / 非平衡統計力学 |
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| Outline of Research at the Start |
多細胞生物の発生などにおける秩序立った細胞集団運動では、組織形状などの境界条件と運動が強く結合している。一方で、境界から遠く離れたバルク中における実験系では、速度場が時空カオス的に乱雑に変動を示すアクティブ乱流状態が広く観察される。そこで本研究では、バクテリア濃厚懸濁液の示すアクティブ乱流を題材に、境界条件による集団運動の秩序化原理を実空間トポロジーに基づいて調べるとともに、その数理的性質を波数空間トポロジーの観点から解明することを目的とする。アクティブマターのトポロジカル物性を実験的に直接観測することで、トポロジカル・アクティブマターという新領域を開拓する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
まず、バクテリア乱流の高速共焦点顕微鏡に必要な、十分な輝度となる蛍光染色方法および十分な酸素供給や気液界面の平坦性を確保する微小流体デバイスの開発を終え、観察手法を確立させた。これを用いて、バクテリア乱流中の密度ゆらぎやキラリティの破れなど当初から目的としていた測定対象を定量的に評価することに成功するとともに、キラリティの破れなど新たな現象を見出すことができた。
並行して、閉鎖空間におけるバクテリア集団運動が閉じ込め半径を大きくしていくに従って、安定な定常渦から乱流的な時空カオス的振る舞いへと変化していく乱流化過程を、前年度までに確立した数値計算手法と大規模実験を組み合わせることによって捉えることに成功した。定常渦が不安定化する最初のプロセスとして渦の振動現象を同定し、弱非線形解析により解析的にもその力学的特徴を解明した。数値計算に関しては論文を執筆・投稿し、実験と解析計算を加えた内容については論文投稿の準備を進めた。
ここまでで理解が得られた渦の安定性やキラリティに関する実験・数値計算・解析理論の知見を統合することで、バクテリア集団運動がトポロジカル物性を発現しうる閉じ込め形状を着想した。非対称な幾何形状を設計することで、実験的にトポロジカル物性の発現に必要となる条件を実験的に詳細に検討を進めたことで、一方向の流れが駆動される条件を見出すなど一定の成果を得た。
本研究全体を通して、バクテリア集団に発現するアクティブ乱流を題材として、渦という実空間の集団運動のトポロジーの詳細な理解に基づき、バクテリア集団に発現するトポロジカル物性という波数空間トポロジーを開拓する端緒を斬り拓くことができた。
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Report
(4 results)
Research Products
(93 results)
