Ribe plivaju u jatima, insekti se roje i ptice lete u jatima. Novo istraživanje pokazalo je da, na najosnovnijoj razini, ova vrsta ponašanja skupine tvori novu vrstu aktivne materije koja se naziva - vrtložnim stanjem.
Fizički zakoni kao što je Newtonov drugi zakon gibanja - koji kaže da se s povećanjem sile koja se primjenjuje na objekt povećava i njegovo ubrzanje, a da se s povećanjem mase objekta ubrzanje smanjuje - primjenjuju se na pasivnu, neživu tvar, u rasponu od atoma do planeta.
No, velik dio materije u svijetu aktivna je tvar i kreće se pod vlastitom, usmjerenom silom, rekao je Nikolai Brilliantov, matematičar s Instituta za znanost i tehnologiju Skolkovo u Rusiji te sa Sveučilišta Leicester u Engleskoj, za Live Science.
Nisu svjesno djelovale s okolinom
Živa bića poput bakterija, ptica i ljudi mogu komunicirati sa silama koje su iznad njih samih. Postoje primjeri i nežive aktivne tvari. Nanočestice poznate kao "Janusove čestice" sastoje se od dviju strana s različitim kemijskim svojstvima. Interakcije između tih dviju strana stvaraju samohodno kretanje.
Kako bi istražili aktivnu tvar, Brilliantov i njegovi kolege koristili su računalo za simulaciju čestica koje se mogu samohodno kretati. Te čestice nisu svjesno djelovale s okolinom, tvrdi ovaj matematičar. Umjesto toga, bile su sličnije jednostavnim bakterijama ili nanočesticama s unutarnjim izvorima energije, ali bez sposobnosti obrade informacija.
Prvo iznenađenje bilo je da se ta aktivna tvar ponaša dosta drugačije od pasivne tvari. Različita stanja pasivne materije mogu koegzistirati, pojasnio je Brilliantov. Na primjer, čaša tekuće vode može postupno ispariti u plinovito stanje, a da pritom tekuća voda i dalje ostaje u čaši. Suprotno tomu, aktivna tvar nije koegzistirala u različitim fazama; sve je bilo ili čvrsto ili tekuće ili plinovito.
Čestice su se također grupirale kao veliki konglomerati ili kvazičestice, koji su se zajedno u krugu mljeli oko središnje šupljine, nekako poput vrtloga jata sardina. Istraživači su te konglomerate čestica nazvali "vrtlozima", a novo stanje materije nazvali su "vrtložnim stanjem".
Prekršile su Newtonov drugi zakon
U ovome vrtložnom stanju čestice pokazuju bizarno ponašanje. Na primjer, prekršile su Newtonov drugi zakon: kada je na njih bila primijenjena sila, nisu se ubrzale. One su se stalno kretale konstantnom brzinom, što je apsolutno iznenađujuće, rekao je Brilliantov.
Simulacije su bile osnovne, a eksperimentalni rad sa stvarnim aktivnim tvarima važan je sljedeći korak, dodao je ovaj matematičar. Brilliantov i njegovi kolege također planiraju napraviti složenije simulacije korištenjem čestica aktivne tvari sa sposobnostima obrade informacija.
Oni će više sličiti insektima i životinjama i pomoći će otkriti fizičke zakone koji reguliraju rojeve i jata. Konačno je cilj stvoriti materijale koji se sami sastavljaju od aktivne tvari, što čini važnim razumijevanje svih faza ove vrste materije.
"Prilično je važno da vidimo prirodu aktivne tvari jer puno je bogatija od one pasivne tvari", zaključio je Brilliantov. Ovo istraživanje detaljno je opisano u listopadu 2020. u časopisu Scientific Reports.
