Forschung

Mal anziehend, mal abstoßend

22.05.2020 - Chemisch aktive Teilchen können Vielfalt komplexer Wechselwirkungen aufweisen.

Chemisch aktive Partikel, wie Enzyme oder Kolloide, können sich in einer Flüssigkeit vorwärtsbewegen, indem sie chemische Energie in mechanische Arbeit umwandeln. Ein besonderes Merkmal dieser Teilchen ist, dass sie das dritte Newtonsche Gesetz verletzen können: Für ein System aus zwei Teilchen sind Kraft und Gegenkraft nicht unbedingt gleich groß und wirken nicht immer in entgegen­gesetzte Richtungen. Trotz dieser Besonderheit wurde jedoch die relative Wechsel­wirkung dieser Teilchen, wenn sie in ihrer einfachsten Form, d.h. isotrop und gleich groß, vorliegen, bisher für eindeutig gehalten: Entweder rein anziehend (in diesem Fall kommen die Teilchen zusammen und bilden einen Komplex) oder rein abstoßend (wobei sich die Teilchen unendlich weit voneinander entfernen), wie bei positiven und negativen Ladungen in der Elektro­statik. In einer neuen Arbeit zeigen Babak Nasouri und Ramin Golestanian von der Abteilung „Physik lebender Materie“ am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbst­organisation (MPIDS), dass die Wechselwirkung zwischen solchen Partikeln durch ihre chemische Signale und die Modifikation der sie umgebenden Flüssigkeit viel komplexer ist.
 

Wenn es darum geht, das Verhalten dieser Teilchen zu untersuchen, erschwert oft die Komplexität der zugrunde­liegenden Mechanismen gründliche theoretische Analysen und man muss auf Näherungen zurückgreifen. Ein in diesem Zusammenhang weit verbreitetes Näherungs­verfahren, das bisher unser theoretisches Verständnis des Verhaltens dieses Systems geprägt hat, ist die Fernfeldnäherung, die davon ausgeht, dass der Abstand zwischen den Teilchen immer erheblich größer ist als ihre Abmessungen. Die Fern­feld­näherung sagt voraus, dass die Wechselwirkung zwischen zwei solchen chemisch aktiven Teilchen nicht reziprok sein kann, was nicht-intuitiv ist, nichts­destotrotz ist sie aber immer entweder rein anziehend oder abstoßend, wenn man sie relativ berechnet. „Die Nicht-Reziprozität von Wechsel­wirkungen ist ein ziemlich bemerkens­wertes Merkmal, das uns auf der Ebene menschlicher Interaktionen vertraut ist – zum Beispiel, B mag vielleicht A, aber A mag B vielleicht nicht – allerdings ist es für mikroskopische Teilchen grundlegend neu und ist eine Manifestation ihrer Nicht­gleichgewichts­aktivität“, sagt Golestanian, Direktor der Abteilung Physik der lebenden Materie am MPIDS.

Obwohl die weit verbreitete Fern­feld­näherungs­lösung die zugrunde­liegenden Gleichungen erheblich vereinfacht, kann sie in vielen Fällen zu falschen Vorhersagen für das Verhalten des Systems führen. Nach Nasouri und Golestanian kann die Beziehung zwischen zwei chemisch aktiven Teilchen nicht immer als rein anziehend oder abstoßend kategorisiert werden. Beispielsweise können sich die Partikel als stabiler gebundener Zustand zusammen bewegen, wobei ein konstanter Gleich­gewichts­abstand ungleich Null zwischen ihnen aufrecht­erhalten wird. In diesem Fall stoßen sich die Teilchen ab, wenn sie sich näher als eine bestimmte Entfernung kommen, und ziehen sich an, wenn sie sich weiter voneinander entfernen. Sie können sich auch genau umgekehrt verhalten, was zur Bildung eines instabilen Komplexes führen kann, der bei ausreichenden Störungen oder Einflüssen von außen auseinander­brechen kann. Nasouri und Golestanian zeigen, dass die Existenz dieser beiden neuen Regime des Verhaltens auf die Nahfeld-Effekte zurückzuführen ist, die in der Fernfeldbeschreibung des Systems komplett ignoriert werden. „Es ist sehr schwierig zu entscheiden, was bei der Modellierung dieser komplexen Systeme ignoriert werden kann und was nicht“, sagt Nasouri, der Erstautor der Studie. „Näherungs­lösungen sind sehr nützlich, um unser grund­legendes Verständnis eines Systems zu prägen“, fügt Golestanian hinzu. „Aber wir können uns kein vollständiges Bild machen, wenn wir nicht die grund­legenden Gleichungen präzise und, wenn möglich, exakt lösen.“ 

Durch einen exakten theoretischen Ansatz, der sowohl Nahfeld- als auch Fern­feld­wechselwirkungen berücksichtigt, zeigen die Autoren, dass die Entstehung dieser beiden neuen Regime auf einen selbst­generierten Spiegelungs­effekt zurückzuführen ist. Wenn sich die Teilchen nahe beieinander befinden, wird jedes Teilchen von seiner eigenen Aktivität beeinflusst, die von seinem Nachbarn reflektiert wird. „Es ist, als ob jedes Teilchen wie ein Spiegel für seinen Nachbarn wirkt“, sagt Nasouri. Er fügt hinzu: „Diese Reflexion kann der Anziehung oder Abstoßung, die von dem benachbarten Teilchen ausgeht, entgegen­wirken und das erzeugt diese neuen Regimes des Verhaltens.“ 

MPIDS / DE

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