Ученые обнаружили, как хаотичное движение молекул создает устойчивый порядок

Невзаимные взаимодействия вызывают коллективное движение в больших масштабах, где один вид преследует другой, формируя пространственно-временные паттерны. Автор: Max Planck Society

В природе упорядоченные структуры необходимы для поддержания стабильности и функциональности живых систем, что наблюдается в повторяющихся структурах или формировании сложных молекул. Однако создание этого порядка основано на универсальных физических принципах, которые в конечном итоге позволяют создавать живую материю и органические структуры.

Один из таких принципов — невзаимные взаимодействия: один тип молекул притягивается другим, который, наоборот, отталкивается. Это явление может порождать интересные структуры и паттерны.

Ученые из отдела физики живой материи Института Макса Планка (MPI-DS) теперь обнаружили, что невзаимные взаимодействия также могут вызывать устойчивое коллективное движение в живых системах. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Джулия Пизенья, первый автор исследования, описывает находки: «Динамика преследования в невзаимных взаимодействиях порождает спонтанное коллективное и направленное движение видов частиц в большем масштабе. Хотя такая активность на первый взгляд может создавать хаос, вместо этого она создает удивительно стабильные и упорядоченные структуры».

Чтобы проверить устойчивость системы, физики сначала ввели шум и помехи, чтобы нарушить возникающий порядок и движение.

«Мы обнаружили, что паттерн подвижности удивительно устойчив и стабилен», — сообщает Супрория Саха, руководитель группы в MPI-DS.

Этот результат был достигнут путем соединения модели невзаимных взаимодействий с двумя, казалось бы, очень далекими теориями: теорией стайного поведения и теорией динамики роста поверхностей.

Во-вторых, исследователи изучили, как ведет себя паттерн, когда частицы помещены в жидкость, где они могут взаимодействовать. Обычно этот дополнительный фактор стремится нарушить коллективное движение. Однако команда обнаружила, что движущийся паттерн остается стабильным, если он генерируется невзаимными взаимодействиями. Это демонстрирует замечательную устойчивость к сложным экспериментальным условиям.

«Эти результаты говорят нам, что невзаимные взаимодействия лежат в основе примитивной самоорганизации в сложных химических средах и помогут нам предсказывать и описывать свойства живых систем», — заключает Саха.

Больше информации: Giulia Pisegna et al, Nonreciprocal Mixtures in Suspension: The Role of Hydrodynamic Interactions, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/gbg1-lwwt

Источник: Max Planck Society