2018 Fiscal Year Research-status Report
Motion, interaction, and hydrodynamic description of active soft materials
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17K05605
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
義永 那津人 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (90548835)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | アクティブマター / 生物物理 / 細胞運動 / ソフトマター / 非平衡物理 / 液晶 / 流体力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々は、流体運動と化学反応の結合によって自発的運動を示すアクティブマターの理論的研究を行ってきた。このような系の例は、ヤヌス粒子やマランゴニ効果による液滴の運動などがあり、また細胞運動のような複雑な現象の基礎的理解に結び付くと考えている。流体力学的相互作用を適切に理論に取り入れることは非常に困難であるため、流体が及ぼす効果についてはあまり理解が進んでいなかった。そのため、アクティブマターの研究では、流体の効果を無視したモデルが中心的な研究対象になり、流体の効果を取り入れた場合にこれまでの理論がどのように修正されるのか、これまでの理論的枠組みとの関連は不明であった。我々は、近距離相互作用を適切に取り入れる手法を開発し、流体を粒子間の実効的相互作用に押し込める理論を構築した。これは、三次元のみならず、これまで全く議論されてこなかった二次元の自己駆動粒子懸濁液にも適用可能である。本結果は、European Physical Journal Eに掲載済みである。
また、細胞運動のような複雑な自発運動の基礎的な理解に向けて、アクティブ液晶液滴の理論的研究も行った。この系は、アクティブストレスと呼ばれる、平衡系では存在しない項を含んだアクティブ液晶を閉じ込めた液滴が、自発的に変形し運動するものである。アクティブストレスは細胞骨格と分子モーターが生み出す力学的ストレスに対応している。我々は、液晶場と流体場を理論的に解析することによって、アクティブ液晶液滴が自発的に運動する条件を導出した。本結果は現在論文投稿中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、アクティブブラウン粒子、squimer、自己泳動運動、そしてマランゴニ効果による自発運動、特に流体力学の理論に関する手法をまとめた内容を本の一章に掲載し、また集中講義などによってアクティブマターの研究の現状についてのまとめを行った。この過程で、流体力学を伴わないアクティブマターの研究の理論についても総括することができ、流体力学の効果のどのような側面を集中的に研究すべきなのかを同定することができた。流体を伴う自己駆動粒子の集団運動に関しては、現在はシミュレーション結果がいくつかあるだけで、粗視化された流体記述は未だ確立されていない。これまでは、粒子間相互作用から希薄濃度を仮定し、運動方程式から流体記述を直接導出することを考えてきたが、これは相互作用が複雑であることや、興味深い現象が希薄濃度では起きないことからあまり有用でないことが分かってきている。一方、流体記述の立場から流体の長距離相互作用のみを考慮すると、一様配向状態が実現しないことが分かっているが、これはシミュレーションの結果とは一致しない。そこで、流体の遮蔽効果がどのように起きるのかを粒子と流体のレベルから議論すればいいことが分かってきている。
また、より細胞に近い環境を考え、実験グループと共同でMinたんぱく質が作る波のパターン形成についての研究も進めている。細胞膜と細胞質のたんぱく質濃度を適切に取り入れたモデルを構築することで、実験で得られた波を再現し、また、閉じ込めの効果によって波が出現する条件が変化することを理論的に示した。これまでの理論手法を応用し、バルクに対応する細胞質の自由度を消去して膜面のみのダイナミックに縮約する手法を開発している。この結果は論文投稿中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、アクティブマターの流体記述に向けて流体の遮蔽効果に注目して研究を行っていく。流体相互作用による近距離の潤滑相互作用による効果を微視的に計算することによって、大きなスケールでアクティブストレスが実効的に抑えられることを理論的に計算していく。また、数値計算との比較によって、この効果が大域的な配向状態に重要な役割を果たすことを示していきたい。これらの解析の結果を用いて、流体の遮蔽効果をもった自己駆動粒子懸濁液の流体記述を構築し、これまで実験やシミュレーションで見つかった集団運動のメカニズムの理解を進めていく。
また、細胞運動のモデルに関しても、アクティブ液晶液滴での解析をさらに進めながら様々な運動モードの分類や、各運動を実現するための条件について整理していく。これまでの解析で、数値計算によって、アクティブストレスを大きくすると、直線運動から回転運動、ジグザグ運動、そして、カオティックな運動が実現することが分かってきている。直線運動からこれらの複雑な運動がどのように表れるのかについて解析を進めていく。これらの結果を用いて、現在提案されている細胞運動のモデルが分類できるか、また、実験で観察される運動パターンを説明するために必要な効果について明らかにしていきたい。さらに、細胞内や細胞膜でのパターンと細胞運動や変形との相関についても解析を進めていきたい。この点については、形状を変化させた人工細胞における波の形成の実験との比較によって理論的理解を深めていく。
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