Новости химической науки > Переходы в стеклообразное состояние и муравьиные тропы

Воодушевленные примером использования принципов гидродинамики для изучения особенностей движения птичьих стай, исследователи из США решили применить законы физики частично упорядоченных сред для изучения особенностей движения огненных муравьев.

Коллективное движение особей одного вида является весьма распространенным явлением в природе. Огненные муравьи, а точнее особенности их движения по углубленным в поверхности тропам, представляют собой особо интересный материал для исследования. Ключевым фактором, управляющим движением огненных муравьёв и других общественных насекомых, является необходимость временами останавливаться и общаться друг с другом, что приводит к существенным заторам и «пробкам» на муравьиных тропах, длина которых может составлять до 50 метров.

Именно эти заторы на муравьиных тропах и натолкнули Ника Гравиша (Nick Gravish) и его коллег из технологического Института Джорджии на мысль о том, что между перемещением муравьев и динамикой системы, представляющей плотную упаковку твердых сфер, есть определенное сходство. Акты социального взаимодействия между муравьями рассматривались Гравишем как близкие взаимодействия твердых частиц, которые можно обнаружить, например, в гранулированном материале. В отличие от прежних исследований особенностей перемещения по поверхности, Гравиш рассмотрел, каким образом геометрия муравьиной канавки ограничивает способность муравьев перемещаться в «заторе». Он подчеркивает, что когда появляется «толпа» муравьев, система начинает вести себя подобно любой инертной системе, представляющей частично упорядоченную среду.

Используя инструментарий и язык частично упорядоченных сред, Гравиш обнаружил, что динамика перемещения огненных муравьев похожа на динамику поведения хрупкого стекла. Это обстоятельство означает, что муравьи могут перемещаться относительно свободно до достижения определенной плотности особей. Таким образом, чтобы двигаться без «пробок», муравьи просто регулируют скорость своего движения таким образом, чтобы не достичь предельной концентрации особей, способных вызвать затор. Гравиш уверен, что это открытие может привести к формулировке такого явления, как активная материя (smarticle), реагирующая на окружение и избегающая образования заторов и пробок.

Зависимости, отражающие положение муравьев в пространстве от времени и взаимодействие муравей-муравей от времени, могут ответить на вопросы, посвященные коллективному движению огненных муравьев. (Рисунок из Soft Matter, 2015, DOI: 10.1039/c5sm00693g)

Дебашиш Чаудхари (Debashish Chowdhury), специалист по статистической и биологической физике из Индийского Технологического Института (Кампур) поясняет, что коллективное движение социальных насекомых всегда казалось людям чем-то уникальным и чарующим, что даже послужило основой для некоторых мультфильмов («Муравей Антц» и «Жизнь жуков»). Он высоко оценивает проведенную Гравишем удачную попытку изучить походы огненных муравьёв через призму физики перехода в стеклообразное состояние.

Исследователи надеются, что полученный при «скрещивании муравьев и физики частично упорядоченных сред» материал может оказаться полезным не только для изучения муравьиных троп, но и других плотно населенных биологических систем от колоний клеток до перемещения толп пешеходов по узким улицам. Гравиш также предполагает, что информация окажется полезна для разработки роботов, более способных к поиску и спасению, а также для создания коллективно действующих роботизированных систем.

Источник: Soft Matter, 2015, DOI: 10.1039/c5sm00693g

метки статьи: #физическая химия, #химия твердого тела