Косяк рыб, рой насекомых и журчание летают птицы. Новое исследование показывает, что на самом базовом уровне такое групповое поведение формирует новый вид активной материи, называемый вихревым состоянием.

Физические законы, такие как второй закон движения Ньютона, который гласит, что по мере увеличения силы, приложенной к объекту, его ускорение увеличивается, а по мере увеличения массы объекта его ускорение уменьшается - применяются к пассивной, неживой материи, от атомов до планет. . Но большая часть материи в мире является активной материей и движется под действием собственной, самонаправляемой силы, - сказал Николай Бриллиантов, математик из Сколковского института науки и технологий в России и Лестерского университета в Англии. Такие разнообразные живые существа, как бактерии, птицы и люди, могут взаимодействовать с действующими на них силами. Есть и примеры неживой активной материи. Наночастицы, известные как «частицы Януса», состоят из двух сторон с разными химическими свойствами. Взаимодействие между двумя сторонами создает самоходное движение.

Чтобы исследовать активную материю, Бриллиантов и его коллеги использовали компьютер для моделирования частиц, которые могут двигаться самостоятельно. Эти частицы сознательно не взаимодействовали с окружающей средой, сказал Бриллиантов Live Science. Скорее, они были больше похожи на простые бактерии или наночастицы с внутренними источниками энергии, но без способностей к обработке информации.

Первым сюрпризом было то, что эта активная материя ведет себя совсем не так, как пассивная. По словам Бриллиантова, разные состояния пассивной материи могут сосуществовать. Например, стакан с жидкой водой может постепенно испаряться в газообразное состояние, но при этом остается жидкая вода. Активная материя, напротив, не сосуществовала в разных фазах; все было твердым, жидким или газообразным.

Частицы также сгруппировались вместе в большие конгломераты или квазичастицы, которые образовали круговой узор вокруг центральной пустоты, что-то вроде водоворота стайных сардин. Исследователи назвали эти конгломераты частиц «вихревыми», а новое состояние вещества, которое они образовали, «вихревым».

В этом вихревом состоянии частицы проявляли причудливое поведение. Например, они нарушили второй закон Ньютона: когда к ним прикладывалась сила, они не ускорялись.

\"[They] просто двигайтесь с постоянной скоростью, что совершенно удивительно », - сказал Бриллиантов.

По его словам, моделирование было базовым, и экспериментальная работа с реальным активным веществом - важный следующий шаг. Бриллиантов и его коллеги также планируют провести более сложное моделирование с использованием частиц активного вещества, способных обрабатывать информацию. Они будут больше напоминать насекомых и животных и помогут раскрыть физические законы, управляющие обучением, роением и стаей. В конечном итоге цель состоит в том, чтобы создать самособирающиеся материалы из активного вещества, сказал Бриллиантов, что делает важным понимание фаз этого вида материи.

«Очень важно, что мы видим природу активного вещества», которое намного богаче, чем природа пассивного вещества, - сказал Бриллиантов.

Подробности исследования были опубликованы в октябре 2020 года в журнале Scientific Reports.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Причудливые «завихрения» - это новый вид материи