активная материя

Капля воды на плёнке фторполимера сначала ведёт себя как положено: лежит и испаряется. Но стоит ей уменьшиться до четверти начального размера, как она срывается с места и за доли секунды проскакивает расстояние, в несколько раз превышающее её собственный радиус. Дальше она ползёт медленно, но упорно, оставляя за собой невидимый след из электрических зарядов.

Ткачиха сидит за станком, и её руки движутся в ритме, который невозможно предсказать заранее. Нити то сходятся, то расходятся, образуя узор, который кажется случайным, но подчиняется строгим правилам.

Поршень в цилиндре с газом обычно движется, когда газ давит на него. Но есть поршень, который движется, когда перед ним пусто. Каждые пять секунд он проверяет пространство у своей стенки, и если там никого нет, делает шаг внутрь, сжимая газ без прямого механического усилия. Так работает информационный двигатель: он превращает знание о положении частиц в полезную работу.

Толпа у входа в узкий коридор ведёт себя не так, как в просторном зале: одних прижимает к стенам, других выталкивает вперёд. Примерно то же происходит, когда вытянутая частица оказывается в жидкости, кишащей самодвижущимися гантелями. До сих пор было неясно, почему такая частица движется вдоль длинной оси быстрее, чем поперёк, и как плотность толпы влияет на её скорость.

Толпа у входа в узкий коридор ведёт себя не так, как в просторном зале: одних прижимает к стенам, других выталкивает вперёд. Примерно то же происходит, когда вытянутая частица оказывается в жидкости, кишащей самодвижущимися гантелями. До сих пор было неясно, почему такая частица движется вдоль длинной оси быстрее, чем поперёк, и как плотность толпы влияет на её скорость.

Осьминог, раскинув щупальца, ждёт. Никто не управляет его руками из единого центра, но стоит добыче коснуться одной из них, как все восемь оборачиваются вокруг неё. Похожий трюк физики воспроизвели в лаборатории с телом, у которого нет ни нейронов, ни мышц: звёздный полимер с самодвижущимися руками. Полимер собрали из маленьких цилиндрических виброботов на вибрирующей пластине.

Представьте стаю птиц, которая собирается вокруг кормушки, которую никто не строил. Каждая птица ищет еду для себя, но в итоге они оказываются вместе. Обычно такое поведение объясняют социальным инстинктом: птицы хотят быть рядом с сородичами. Но что, если стая — просто побочный эффект жадности?

Капля масла в воде — как шарик в толпе. Пока толпа редкая, шарики свободно расходятся. Но если людей много, каждый зажат соседями, и вся масса ведёт себя как одно тело. Примерно так устроена эмульсия — смесь, где капли одной жидкости (например, масла) взвешены в другой (воде) или наоборот. Густая эмульсия напоминает крем или майонез: она держит форму, но при сильном нажатии начинает течь.

Капля масла в воде — как шарик в толпе. Пока толпа редкая, шарики свободно расходятся. Но если людей много, каждый зажат соседями, и вся масса ведёт себя как одно тело. Примерно так устроена эмульсия — смесь, где капли одной жидкости (например, масла) взвешены в другой (воде) или наоборот. Густая эмульсия напоминает крем или майонез: она держит форму, но при сильном нажатии начинает течь.

Двое договариваются встретиться, но у каждого свои дела. Один сомневается: а вдруг второй не придёт? И решает не идти. Второй думает так же. Встреча не случается. Так выглядит простой механизм, который разбирают авторы работы: общее дело требует, чтобы каждый вкладывал время, но выгода зависит от того, участвует ли партнёр. В модели каждый человек ведёт список дел, упорядоченных по важности.

Группа светящихся точек плывёт в темноте, то сжимаясь в островки, то расходясь волнами. Это не рыбы и не птицы — это математическая модель активной материи, где каждая частица тратит собственную энергию на движение, а заодно рождается, умирает и соперничает с соседями за пространство.

На концерте в плотной толпе каждый шаг даётся с трудом — чем теснее, тем меньше хочется двигаться. Так обычно ведёт себя и активная материя: рои бактерий или стаи роботов замирают в тесноте. Но одна группа исследователей обнаружила обратный эффект.

Капля воды на стекле дрожит и переливается — кажется, она живёт своей жизнью. Похожее поведение теперь можно увидеть в мире коллоидов — микроскопических частиц, взвешенных в жидкости. Исследователи смоделировали на компьютере частицы, которые выделяют химические сигналы. Эти сигналы, подобно запахам в воздухе, распространяются вокруг и заставляют соседей либо сближаться, либо отдаляться.

В мире, где числа Рейнольдса ничтожны, вода превращается в тягучий сироп, и привычные нам способы плавания перестают работать. Здесь господствует коварная теорема гребешка: симметричные движения не дают продвижения. Микроорганизмы нашли выход: они отращивают полимерные хвосты. Но что, если покрыть такими растущими нитями всю поверхность частицы — своего рода молекулярный «ковёр-самолёт»?

Квантовая материя редко балует нас зрелищем самодвижения. Там, где классический мир полнится стаями скворцов, косяками рыб и суетливыми бактериями, квантовая термодинамика долго хранила покой.

У каждой активной частицы в новой модели есть внутренний ритм: она вращается либо влево, либо вправо. Хиральность — ключевое свойство: одни кружатся по часовой стрелке, другие — против. Но стоит такой частице столкнуться с препятствием или соседкой, как она переключает своё вращение, словно фигурист, который после касания борта взрывается обратным пируэтом.

В 1905 году Эйнштейн показал, что хаотическое движение пыльцы в воде — результат ударов невидимых молекул. Спустя век физики научились не только наблюдать, но и управлять движением на квантовом уровне.

Камешек падает в пруд — и по воде расходятся круги. В квантовом мире пруд состоит не из воды, а из множества одинаковых частиц, и камешек — тоже частица, только чужая. Такую чужую частицу называют поляроном Ферми. Десятилетиями физики изучали, как полярон чувствует себя на одном месте. Но что происходит, когда он начинает двигаться?

Внутри каждой клетки идёт непрерывная стройка: молекулы постоянно собираются в группы и снова расходятся. Иногда они образуют плотные капли — как масло в воде, только без оболочки. Такие капли работают временными складами: здесь хранятся белки, копии генов или инструменты для починки ДНК. Но сигнал к сборке не всегда горит ровно.

Представьте две несмешивающиеся жидкости, например масло и воду. В обычных условиях они стремятся к разделению, образуя четкую границу раздела. Но введите в систему микроскопических пловцов — бактерий, основу которых составляет углерод, — и картина резко меняется.

Горсть риса, брошенная в стакан с водой, рассыпается — крупинки разбегаются в стороны. А теперь вообразите, что каждая крупинка сама несётся вперёд с упрямым постоянством и при столкновении мягко отскакивает. Такие частицы называют активными: они тратят собственную энергию на движение, как бактерии или микроскопические роботы.

Горсть рисовых зёрен падает на горячую сковороду — и они запрыгали. Каждое зерно толкает соседей, вся куча шевелится без внешней руки. Это и есть активная материя: множество частиц, которые сами черпают энергию и превращают её в движение. До сих пор физики изучали такой «танец» по законам Ньютона, не вспоминая о квантовой механике.

Воздушный шарик надувается сам по себе, хотя никто не дует. Примерно так выглядит ускоренное расширение Вселенной — и чтобы его объяснить, обычно привлекают тёмную энергию, невидимую и непонятную силу. Но что, если шарик раздувается потому, что внутри него непрерывно появляются новые молекулы воздуха?

Стая птиц или косяк рыб иногда закручивается в воронку, хотя ни одна особь не командует «крутись». Такое коллективное вращение помогает группе держаться вместе и лучше перемешиваться. Обычно его объясняют тем, что сами особи асимметричны, как винт, или толкают друг друга с поворотом. Но в новой работе найден другой путь.

Дрожжи заперты в прозрачном геле, как изюм в холодце. Сами они не двигаются, но скоро начинают подниматься вверх. Секрет — в их собственной «газировке». При брожении дрожжи выделяют углекислый газ. В густой среде газ не улетучивается, а накапливается, пока не образуются пузырьки.

Колония клеток похожа на город, который растёт от окраин: новые дома появляются там, где свободнее. Внутри тесно, и строительство замирает. Так и клетки чаще делятся у края, где их меньше сдавливают соседи. Учёные смоделировали это без всяких химических команд — только механика. В модели каждая клетка — шарик, который давит на других. Когда давление велико, деление прекращается.

Когда в тонкой плёнке воды собирается множество бактерий (их клетки построены преимущественно из углерода), возникает завораживающее зрелище: миллионы микроорганизмов начинают синхронно скользить по гигантским эллиптическим траекториям, напоминая слаженный танец на паркете.

Стайка светлячков в ночном лесу вспыхивает как попало: каждый жучок мигает сам по себе, и свет разлетается во все стороны одинаково. А теперь светлячки договорились мигать так, чтобы их общий свет уходил только на север — хотя сами они стоят на месте и ни один не повернулся. Примерно это сделали физики с атомами внутри тонкой стеклянной трубки. Атомы в трубке возбуждали лазером, и они начинали испускать свет.

Капля чернил в стакане воды расползается сама собой. Но если бы чернила состояли из крошечных моторчиков, они бы не просто расплывались — они бы ползли, толкались и собирались в стайки. Такие частицы, которые двигаются сами, называют активными. Из них можно собирать молекулы, как из бусин — браслет. И вот что удивительно: порядок бусин в браслете меняет всё поведение.

Бактерии в капле воды толкаются и плывут — каждая сама по себе, но вместе они создают узоры. При слабом движении жидкость бурлит, как суп на сильном огне: вихри сталкиваются, направление течения меняется каждую секунду. Это называют бактериальной турбулентностью.

Два вида бактерий делят одну чашку Петри. Оба едят одну и ту же пищу, и по всем правилам один должен вытеснить другого. Но в реальности они часто живут вместе годами. Секрет — в умении вовремя уйти. Бактерии не сидят на месте. Когда рядом появляется чужак, они начинают двигаться быстрее.

В стакане воды растворяют несколько солей и формальдегид. Через некоторое время жидкость сама расслаивается: в ней появляются капли с оболочкой, похожие на крошечные пузырьки. Внутри каждой капли идут химические превращения, а сама капля растёт, вбирая вещество из окружающего раствора. Эти капли — не просто пузырьки. Внутри них образуются новые, меньшие капли, которые тоже способны расти.

В воздухе заводских цехов и лабораторий витают невидимые молекулы растворителей. Один из них — ацетонитрил — пахнет слабо, но при высоких концентрациях вредит здоровью. Обычные датчики на него громоздкие и дорогие, а тут — тонкая кристаллическая плёнка, которая сама реагирует на появление паров. Кристалл этот не простой, а из цепочек атомов железа и органических молекул.

Бактерия в капле воды не просто плавает — она ощупывает пространство вокруг себя, решает, куда свернуть, и находит выход из запутанного лабиринта. Искусственные микроскопические пловцы до сих пор так не умели: их приходилось вести за руку, подавая сигналы извне. Теперь группа исследователей показала, что крошечные капли-агенты могут обходиться без поводыря.