日本の研究者たちは、数千の微小な粒子がどのように自発的にペアを形成し、移動し、再編成されるかを明らかにしました。このプロセスは、ニュートンの作用と反作用の対称性を破ります。この研究は、東京科学大学の2人の教授、博士課程の須藤裕と博士課程の吉井貴文によって行われました。彼らは、10,000個以上のコロイド粒子を含む大規模なコロイドシステムを作成し、その挙動を1時間以上観察しました。交流電場の影響下で、異なるサイズの粒子が不均一に相互作用し始めました。大きな粒子は小さな粒子をより強く引き寄せ、小さな粒子はそれらに対して弱い引力を持ちます。
この相互作用により、受動的な粒子がペアを形成し、液体中で推進します。須藤は次のように説明しました。「私たちのシステムは、実験的に制御可能な非相互作用の多体物理の例を提供します。この場合、破壊された作用–反作用の対称性が集団現象を引き起こします。」
通常の受動的システムでは、相互作用は相互的です。ニュートンの運動の第三法則によれば、すべての作用には等しい反作用があります。簡単に言えば、ある物体が別の物体に力を加えると、2番目の物体は等しい反作用で応じます。非相互作用のシステムを作成するために、研究チームは半径1および1.5マイクロメートルのポリスチレンコロイド粒子を水中に懸濁させ、酸化インジウムスズでコーティングされた透明な電極の間に制限しました。
研究が明らかにする非相互作用の潜在的応用
研究チームが交流電場を加えると、粒子の周りに電流力学（EHD）流が形成されました。研究は、これらの流れの強度が粒子のサイズと密接に関連していることを示しています。大きな粒子が生成する流れは小さな粒子よりもはるかに強く、これはそれらのEHD媒介引力も強いことを意味します。したがって、この不均衡は異なるサイズの粒子間の非相互作用を生み出します。粒子は自発的に結合し、明確な前後を持つ非対称ペアを形成します。単独の粒子は自力で推進することはできませんが、共同で動作すると自推進の単位として機能します。より多くのペアが現れるにつれて、それらはより大きな集合体を形成し始めます。
しかし、従来の引力粒子とは異なり、これらの集合体は単純に成長し続けるわけではありません。研究結果は、これらの集合体が絶えず分裂し、再編成され、再形成されることを示しています。自推進のペアは内部で運動を生み出し、巨大な静的ポリマーの形成を防ぎます。研究者たちは、この挙動を単一サイズの粒子のみを含む懸濁液と比較しました。これらのシステムでは、相互作用は依然として相互的であり、粒子は徐々に静的な結晶構造を形成します。数値シミュレーションは実験結果を再現し、非相互的なペアの推進が異常な集合体の動力学を維持する最小限のメカニズムであることを示しました。
須藤はプレスリリースで次のようにまとめました。「この研究は、作用–反作用の対称性の破壊が物質の自発的な動的秩序形成の普遍的なメカニズムとなり得ることを示しています。しかし、この研究では、コロイド粒子が電場下で予期しない挙動を示すことを発見しました：それらは相互に引き寄せ合いますが、大きな塊を形成することはなく、むしろ集まっては再び分裂します。」研究チームは、同様の非相互作用が細胞集団や動物群体などの生物システムでも発生する可能性があると述べています。これらの発見は、異なるシステムにおける集団行動の出現を研究するための枠組みを提供するかもしれません。同時に、このメカニズムは、プログラム可能な材料や外部制御のミニロボットシステムなど、新技術の発展にも影響を与える可能性があります。
この研究は『Physical Review Letters』誌に発表されました。