振動するウォーターベッド上でのラチェットモーターの逆回転

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14141 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

振動する水床上のラチェット ギアは一方向の回転を示します。 ただし、回転方向は粒状層上に配置された歯車の回転方向とは逆になります。 一方向のスピンは水の表面波によって引き起こされます。 表面の変形により水の成分が移動し、歯車が回転します。 表面波と歯車の形状の空間的対称性により、回転トルクが調整されます。 この研究では、同じラチェットが粒状層と水層の間で逆の動きを示しており、その方向はラチェットの形状だけによって決まるわけではありません。 小さな撹拌によって引き起こされる流体媒体の自己組織化は、自明ではない回転方向の反転を引き起こします。

均一な電位場における自発的な規則運動は、一見均一な電位場において化学反応によるランダムな運動の整流が実現されるという生物学的運動の観点から注目を集めている1,2,3,4,5,6,7。 分子モーターの場合、典型的な生物学的運動であるラチェット型ポテンシャルが整流の重要な部分であると想定されることが多く、鋸歯状ポテンシャルの形状の周期的変化が分子を運びます。 搬送方向はラチェットの非対称形状によってのみ決定されます。 広く受け入れられているメカニズムによれば、化学反応によりラチェットの形状が周期的に変化し、熱による撹拌によって移動方向が決まります。

生物学的運動の理解は、活性物質に関する多数の研究に影響を与えてきました8、9、10、11。 化学反応や物理的刺激（光照射など）により自発的に動きます。 最近、生物学的および/または機械的撹拌によって駆動されるラチェット モーターが研究されています 12、13、14、15、16、17、18、19、20、21。 細菌を含む溶液中でのラチェットモーターは一方向の回転を示します13。 ここで、移動する細菌がラチェットギアに衝突して移動する。 動きがブラウン運動のみである場合 (細菌が死滅している場合)、熱力学の第 2 法則で説明される制限により、ラチェットは一方向の回転を示しません。 したがって、この結果は、平衡ランダム運動と非平衡ランダム運動の決定的な違いを示しています。 最近、著者らのグループは、振動ディスク上の粒状ベッド上で歯車が回転することを実証しました22。 どちらの場合も、固体粒子（細菌および顆粒）がラチェットの側壁に衝突して回転を引き起こしました。 どちらのシステムでも、対称形状の歯車では一方向のスピンは発生しません。 回転方向は主にギアの非対称形状によって決まります。 したがって、同じタイプのギアが使用される場合は常に、どちらの場合も回転方向は同じになります。 一般に粒子はランダムにラチェットに衝突し、より大きな回転トルクを発生する衝突によって回転方向が決まります。 衝突する粒子が生物であっても、活性化された無機物であっても、共通のメカニズムが存在すると考えられます。 したがって、ほとんどの場合、回転方向は歯車の非対称形状によって決まります。

ただし、ラチェットモーターの動作方向はラチェットの形状だけで決まるとは限りません。 逆動作に関する理論的研究が報告されており、マグナスラチェットなどのラチェット基板を用いた可逆動作がホットトピックとして研究されている23,24。 この研究では、振動粒状層に使用されたものと同じタイプの歯車を、垂直に振動する水層上に配置しました。 この歯車は、振動周波数と歯車直径の制限された範囲内で一方向の回転を示しました。 驚くべきことに、回転方向は、顆粒床または生きた細菌培地に置かれたときの回転方向とは逆でした。 この研究では、離散物質と連続物質の間の撹拌媒体の違いを示します。