Eine Fischschwarm, ein Insektenschwarm und Vogelschwärme. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass dieses Gruppenverhalten auf seiner grundlegendsten Ebene eine neue Art von aktiver Materie bildet, die als Wirbelzustand bezeichnet wird.
Newtons zweites Bewegungsgesetz, das besagt, dass mit zunehmender Kraft, die auf ein Objekt ausgeübt wird, seine Beschleunigung zunimmt und mit zunehmender Masse des Objekts seine Beschleunigung abnimmt - gilt für passive, leblose Materie von Atomen zu Planeten.
"Aber der größte Teil der Materie auf der Welt ist aktive Materie und bewegt sich unter dem Einfluss ihrer eigenen, selbstgesteuerten Kraft", sagt Nikolai Brilliantov, Mathematiker am Skolkovo-Institut für Wissenschaft und Technologie in Russland und an der Universität von Leicester in England . „Lebewesen wie Bakterien, Vögel und Menschen können mit den auf sie einwirkenden Kräften interagieren.
Es gibt auch Beispiele für unbelebte aktive Materie. Nanopartikel, bekannt als "Janus-Partikel", bestehen aus zwei Seiten mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften. Die Interaktion zwischen den beiden Seiten erzeugt eine selbstfahrende Bewegung .
Um die aktive Materie zu untersuchen, verwendeten Brillianty und seine Kollegen einen Computer, um Partikel zu simulieren, die sich von selbst bewegen könnten. Diese Partikel interagierten nicht absichtlich mit der Umwelt, sagte Diamonds gegenüber Live Science. Sie ähnelten eher einfachen Bakterien oder Nanopartikeln mit internen Energiequellen, aber ohne Informationsverarbeitungsfähigkeiten.
Die erste Überraschung war, dass sich diese aktive Materie ganz anders verhält als die passive. Laut Brilliantov können verschiedene Zustände passiver Materie nebeneinander existieren. Beispielsweise kann ein Glas flüssiges Wasser allmählich in einen gasförmigen Zustand verdampfen, aber flüssiges Wasser bleibt zurück. Aktive Materie existierte dagegen nicht in verschiedenen Phasen nebeneinander; alles war fest oder flüssig oder gasförmig.
Die Teilchen gruppierten sich auch zu großen Konglomeraten oder Quasiteilchen, die ein kreisförmiges Muster um das leere Zentrum bildeten, eine Art wirbelnder Wirbel von Sardinen. Die Forscher nannten diese Konglomerate von Partikeln "Wirbel" und den neuen Materiezustand, den sie bildeten, den "Wirbelzustand".
In diesem Wirbelzustand zeigten die Partikel ein seltsames Verhalten. Zum Beispiel verstießen sie gegen Newtons zweites Gesetz: Wenn eine Kraft auf sie ausgeübt wurde, beschleunigten sie nicht.
"[Sie] bewegen sich nur mit einer konstanten Geschwindigkeit, was absolut erstaunlich ist", sagte Brillianty.
Ihm zufolge war die Simulation grundlegend, und experimentelle Arbeit mit einem realen Wirkstoff ist der nächste wichtige Schritt. Brillianty und seine Kollegen planen auch komplexere Simulationen mit Wirkstoffpartikeln, die Informationen verarbeiten können. Sie werden mehr Insekten und Tieren ähneln und dabei helfen, die physikalischen Gesetze aufzudecken, die die Bewegung von Fischschwärmen oder das Schwärmen von Insekten regeln. Laut Brilliantov Letztendlich ist es das Ziel, aus dem Wirkstoff selbstorganisierende Materialien herzustellen, was es wichtig macht, die Phasen dieser Art von Materie zu verstehen.
"Es ist sehr wichtig, dass wir die Natur des Wirkstoffs sehen", die viel reicher ist als die Natur des passiven Stoffes, - fasste er zusammen.
Details der Studie wurden in wissenschaftlichen Berichten veröffentlicht.