HUN-REN SZBK és a római La Sapienza egyetem kutatóinak új modellje segíti az önmeghajtó részecskékből álló „active matter” rendszerek térbeli terjedésének megértését és irányítását.

2025. okt. 21. | Hírek

Az ún. „active matter” olyan rendszereket jelent, amelyek önmagukat meghajtó részecskékből állnak, mint pl. úszó baktériumok vagy robotok sokasága.  

Az egyensúlyban lévő passzív részecskékkel szemben (pl. kolloidok, gáz molekulák) az aktív részecskék térbeli eloszlása nagy mértékben függhet az őket behatároló edény alakjától és a részecskéknek az edény falával való ütközésének jellegétől. A kutatók által kifejlesztett új modell lehetővé teszi az aktív részecskék térbeli eloszlásának gyors és pontos számolását tetszőleges geometriájú behatároló edényekben.

1. Ábra. Úszó Euglena gracilis sejtek egy kör alakú fénymintázatba zárva. (A) A sejtek fénymikroszkópos képe, a sejteket behatároló, kör alakú fénymintázat szélét a rózsaszín vonal jelöli. (B) A sejtek úszási pályáit demonstráló kép. (C) a modell által jósolt térbeli eloszlás. (D) a sejtek térbeli eloszlása. Skála 0.5 mm

A kutatók az új módszer tesztelésére egy úszó mikroalgákból álló „active matter” rendszert választottak: az Euglena gracilis egysejtű alga sejtjei kivetített fénymintázatokba zárhatóak, kihasználva a sejtek fototaktikus viselkedését. A fénymintázatokon belül a sejtek egyenes vonalban úsznak, a mintázát szélét elérve pedig visszafordulnak annak belseje felé (Video 1). Ezen „active matter” rendszer egyik nagy előnye volt, hogy a kivetített fénymintázatok megváltoztatásával könnyedén lehetett különböző alakú edényekben megfigyelni a rendszer viselkedését.

Az új modell a kísérletekkel kiválóan megegyező eredményeket adott, ahogy látható például egy kör alakú fénymintázat esetén az 1. ábrán. Továbbá, a modellt felhasználva sikerült egy olyan fénymintázatot tervezni, amely alakja révén az úszó Euglena sejteket egyirányba terelte, összegyűjtve azokat egy meghatározott helyre (2. ábra és Video 2).

2. Ábra. Úszó Euglena gracilis sejtek összeterelése egy speciális alakú fénymintázatban. (A) A sejtek megfigyelt térbeli eloszlása. (B) A modell által jósolt térbeli eloszlás. Skála 0.5 mm

Az új modell számos alkalmazásban lehet hasznos eszköz, elősegítheti például olyan mikrocsatornák tervezését, amelyek alakjuk révén a bennük úszó sejteket előre meghatározott térbeli mintázatokba terelik, vagy akár szétválogatják a csatorna falainál különböző jellegű ütközést mutató sejteket. Ismeretlen környezeteket feltérképező robotok számára hatékony navigációs stratégiák megalkotásában is segítséget nyújthat a modell által nyert új tudás.

A kutatás eredményeit bemutató cikk a PNAS folyóiratban jelent meg: R. Di Leonardo,A. Búzás,L. Kelemen,D. Tóth,S.Z. Tóth,P. Ormos, & G. Vizsnyiczai,  Active billiards: Engineering boundaries for the spatial control of confined active particles, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (38) e2426715122
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2426715122

Borítókép forrása: Roberto Di Leonardo, https://www.uniroma1.it/en/notizia/physics-billiards-guide-microorganisms-explore-environment