Studie zeigt, dass aktive Materie und Scherströmungen ein gemeinsames Ausdünnungsverhalten aufweisen

Laut einer Studie veröffentlicht In Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenEin Forschungsteam unter der Leitung von Professor Xu Ning von der University of Science and Technology of China (USTC) hat herausgefunden, dass aktive Materie und Scherströmungen ein ähnliches Ausdünnungsverhalten hinsichtlich Selbstantrieb und Scherkräften aufweisen.

Aktive Substanzen können sich spontan bewegen, indem sie ihre eigene oder die Energie ihrer Umgebung verbrauchen. Typische Vertreter sind biologische Organismen. Da aktive Substanzen Nichtgleichgewichtssysteme sind, zeigen viele einzelne aktive Substanzen, die sich zusammenfinden, ein sehr vielfältiges und eigentümliches kollektives Bewegungsverhalten, was derzeit in vielen verwandten Disziplinen ein heißes Thema ist.

Das Team schlug eine neue Sichtweise vor, wonach das kollektive Bewegungsverhalten aktiver Materie dem von Schersystemen ähnelt. Trotz erheblicher Unterschiede in den Energiezufuhrmethoden zwischen aktiver Materie und Schersystemen war das Team eines der ersten auf internationaler Ebene, das die beiden Systeme verglich und direkte Beweise für mögliche Zusammenhänge fand.

Das Team stellte fest, dass die Viskositätsänderungen in aktiver Materie unter Einwirkung aktiver Kraft denen in Schersystemen mit Scherspannung ähnelten. Beide Veränderungen waren auf den Mikromechanismus des Aufbrechens perkolierender Partikelcluster zurückzuführen. Außerdem sank die Viskosität umso stärker, je schneller die Cluster aufbrachen.

Bei gewöhnlichen newtonschen Fluiden führt die Scherwirkung lediglich dazu, dass die Moleküle dazu tendieren, sich entlang der Scherströmungsrichtung auszurichten und so perkolierende Cluster zu bilden, die stabil bleiben; die Viskosität bleibt also von der Scherspannung unberührt.

Durch die Zugabe von aktiver Materie änderte sich dieses Szenario jedoch. Da die Richtung der aktiven Kraft zufällig abweichen konnte, verlieh sie der aktiven Materie die Fähigkeit, perkolierende Cluster aufzubrechen, was zu einer Verringerung der Lösungsviskosität führte.

Diese Arbeit bietet eine mögliche Erklärung für die „suprafluid“-ähnlichen Phänomene, die durch E. coli verursacht werden, und untermauert die Hinweise auf mögliche Verbindungen zwischen aktiver Materie und Schersystemen.