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上海交通大学等发现细菌集体运动新模式

上海交通大学研究人员及其合作者,对细菌菌落中的拓扑缺陷和集体运动开展了系统研究。相关成果日前在线发表于美国《国家科学院院刊》。


活性物质是当前物理学交叉研究的一个新兴课题。此类系统的构成单元具有自驱动能力,通过消耗自身或环境储备的能量实现各种形式的运动。典型的例子包括宏观尺度的人群、鸟群、鱼群和昆虫,微观尺度的运动细胞、细菌和人造微纳米马达等。


很多活性个体具有杆状外形。在高密度条件下,这一类系统呈现出局域的取向有序,有序区域之间存在拓扑缺陷。但由于理论参数较多、实验测量不够系统,至今未有严格的实验—理论定量比较,因此阻碍了该领域的进一步发展。


为此,研究人员首先利用长细菌构建了一个新的实验系统,精确测量了该系统的运动和取向场,同时调整细菌的长度和运动速度以获得系统实验数据。通过对实验数据的分析,研究人员不但精确测量了全局的时间—空间动力学,也量化了单个拓扑缺陷的统计和运动特征,揭示了若干拓扑缺陷的新性质。


与实验结果配合,研究人员构造了新的理论模型。与此前模型比较,新模型的物理图像清晰且含有较少参数。充分利用获得的实验结果,能精确决定模型中的所有重要参数,实现了实验—理论定量比较,证明了新模型的合理性。


相关专家表示,该成果为活性物质的定量研究打下了坚实基础。



 
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