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2022 年度 実施状況報告書

接着性培養細胞を用いた非平衡協同現象における普遍性の探索

研究課題

研究課題/領域番号 20K14435
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

足立 景亮  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (40849626)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワードアクティブマター / 非平衡相転移 / 相分離 / 非線形ダイナミクス
研究実績の概要

細胞集団のようにエネルギーを利用して自ら運動する要素の集団はアクティブマターと呼ばれ、典型的な非平衡多体系として近年盛んに研究が進められている。本研究課題では、異なる非平衡系の間の関係にも注目することで、非平衡協同現象の普遍的性質の解明に取り組んでいる。

昨年度は、接着細胞集団を単純化したモデルとしてアクティブ格子ガスを考え、細胞の接着基板などによって自己駆動の向きに空間的異方性が生じると協同現象が大きく変化し、密度の長距離にわたる相関や異方的な相分離などが起こりうることを提案した。当該年度は、より自然なモデルとして連続空間を動く粒子のモデルであるアクティブブラウン粒子を考え、空間的異方性がある場合に同様の協同現象の変化が起こるかどうかを調べた。まず、シミュレーションの結果から、アクティブ格子ガスとよく似た性質が現れることがわかり、空間異方性の効果の一般性が示唆された。さらに、アクティブモデルB+と呼ばれるアクティブマターの連続場モデルのシミュレーション・平均場解析を行い、アクティブマター特有のミクロ相分離が異方性によって抑制され、別の非平衡多体系である外場駆動系の引力誘起相分離と同じタイプのマクロ相分離が安定化されることがわかった。

よりマクロな非平衡系として、進化や生態の個体群ダイナミクスを考え、非平衡物理学で発展してきた速度限界の考え方を応用することで、非線形な個体群ダイナミクスにおける速度限界を表す不等式を示した。特に、非線形ダイナミクスに特有の分岐現象の臨界点付近に注目して速度限界不等式を応用することで、臨界点付近で緩和が遅くなる現象(臨界緩和)を特徴づける指数に関する普遍的な不等式を導出した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

現状では研究実施計画に記していた実験研究を進めることができていないが、シミュレーションや理論解析に基づく研究を発展させることで培養細胞のようなアクティブマターの協同現象に関する理論的提案を行っており、またより一般に非平衡物理学で発展している方法論の適用範囲を拡張することができたため。

今後の研究の推進方策

今後は、本研究でシミュレーションなどに基づいて理論的に予言された現象の実験的検証に向けて、どのような実験系が適切かを検討する。また、引き続きアクティブマターの協同現象と結び付けられるような他の非平衡現象との関係を明らかにすることを目指す。

次年度使用額が生じた理由

研究計画で予定していた一部の実験を行わなかったこと、および国内や海外での研究会や学会がオンラインで開催されたことで、次年度使用額が生じた。次年度使用額は、データ解析用のコンピュータの購入費などに充てる予定である。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 4件、 招待講演 4件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] Humboldt-Universitat zu Berlin/Helmholtz-Zentrum Berlin(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Humboldt-Universitat zu Berlin/Helmholtz-Zentrum Berlin
  • [雑誌論文] Universal constraint on nonlinear population dynamics2022

    • 著者名/発表者名
      Adachi Kyosuke、Iritani Ryosuke、Hamazaki Ryusuke
    • 雑誌名

      Communications Physics

      巻: 5 ページ: 129

    • DOI

      10.1038/s42005-022-00912-4

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Vortex dynamics in the two-dimensional BCS-BEC crossover2022

    • 著者名/発表者名
      Heyl Max、Adachi Kyosuke、Itahashi Yuki M.、Nakagawa Yuji、Kasahara Yuichi、List-Kratochvil Emil J. W.、Kato Yusuke、Iwasa Yoshihiro
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 13 ページ: 6986

    • DOI

      10.1038/s41467-022-34756-x

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Vortex Hall effect in the BCS-BEC crossover: Theory2022

    • 著者名/発表者名
      Kyosuke Adachi, Yusuke Kato, Max Heyl, Yoshihiro Iwasa
    • 学会等名
      APS March Meeting 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Vortex Hall effect in the BCS-BEC crossover: Experiment2022

    • 著者名/発表者名
      Max Heyl, Kyosuke Adachi, Yusuke Kato, Emil List-Kratochvil, Yoshihiro Iwasa
    • 学会等名
      APS March Meeting 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Long-range correlation in self-propelled particle systems with anisotropy2022

    • 著者名/発表者名
      足立 景亮
    • 学会等名
      CREST計算ダイナミクス全体会合
  • [学会発表] BCS-BECクロスオーバーにおける次元性と磁場効果2022

    • 著者名/発表者名
      足立 景亮
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会シンポジウム
  • [学会発表] 異方的アクティブ格子ガスが示す長距離相関とモティリティ誘起相分離2022

    • 著者名/発表者名
      足立 景亮, 高三 和晃, 川口 喬吾, 中野 裕義
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [学会発表] 異方的アクティブブラウン粒子系が示すミクロ・マクロ相分離と臨界現象2022

    • 著者名/発表者名
      中野 裕義, 足立 景亮
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [学会発表] 生態・進化ダイナミクスにおける一般的な速度制限2022

    • 著者名/発表者名
      足立 景亮, 入谷 亮介, 濱崎 立資
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] 斥力相互作用するアクティブマターモデルの非平衡協同現象2022

    • 著者名/発表者名
      足立 景亮
    • 学会等名
      Online CMT seminars
    • 招待講演
  • [学会発表] 斥力相互作用する自己駆動粒子モデルの相分離と長距離相関2022

    • 著者名/発表者名
      足立 景亮
    • 学会等名
      第28回交通流と自己駆動粒子系のシンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] BCS-BECクロスオーバーにおける渦糸ホール効果の理論研究2022

    • 著者名/発表者名
      足立 景亮
    • 学会等名
      第28回渦糸物理ワークショップ
    • 招待講演
  • [学会発表] Theory of biomolecular condensate formation based on sequence-dependent interactions2022

    • 著者名/発表者名
      Kyosuke Adachi, Kyogo Kawaguchi
    • 学会等名
      The 4th RIKEN BDR-Kobe University Joint Symposium
  • [学会発表] Universal properties in driven systems and active matter2022

    • 著者名/発表者名
      足立 景亮
    • 学会等名
      第4回理研AIP数学系合同セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] Theory of coexistence in biomolecular condensates based on sequence-dependent interactions2022

    • 著者名/発表者名
      足立 景亮, 川口 喬吾
    • 学会等名
      新学術領域研究「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第6回領域会議
  • [学会発表] Theory of coexistence in biomolecular condensates based on sequence-dependent interactions2022

    • 著者名/発表者名
      Kyosuke Adachi, Kyogo Kawaguchi
    • 学会等名
      RIKEN BDR Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Universal properties in externally driven systems and active matter with spatial anisotropy2022

    • 著者名/発表者名
      Kyosuke Adachi
    • 学会等名
      Japan-France joint seminar “Physics of dense and active disordered materials”
    • 国際学会
  • [備考] 進化・生態ダイナミクスの共通法則 -生物の個体群変化を物理学的な関係式で記述する-

    • URL

      https://www.riken.jp/press/2022/20220601_1/

  • [備考] 原子も群れをつくって集団行動

    • URL

      https://www.riken.jp/pr/closeup/2022/20220704_1/index.html

URL: 

公開日: 2023-12-25  

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