Мы в Telegram
Добавить новость

Свыше 3 тыс. кустов сирени расцвели на ВДНХ

Весенний велофестиваль в Москве поставил рекорд по числу участников

Андрей Воробьев поздравил телеканал «360» с 10-летием

SHOT: пьяный мужчина напал с ножом на экс-жену во дворе дома в Мытищах





Новости сегодня

Новости от TheMoneytizer

Hydrodynamic synchronization and clustering in ratcheting colloidal matter

Fluid-mediated hydrodynamic interactions help synchronize and assemble microscopic particles driven with a ratchet effect.

Some content has been removed for formatting reasons. Please view the original article for the best reading experience.

Abstract

Ratchet transport systems are widespread in physics and biology; however, the effect of the dispersing medium in the collective dynamics of these out-of-equilibrium systems has been often overlooked. We show that, in a traveling wave magnetic ratchet, long-range hydrodynamic interactions (HIs) produce a series of remarkable phenomena on the transport and assembly of interacting Brownian particles. We demonstrate that HIs induce the resynchronization with the traveling wave that emerges as a “speed-up” effect, characterized by a net raise of the translational speed, which doubles that of single particles. When competing with dipolar forces and the underlying substrate symmetry, HIs promote the formation of clusters that grow perpendicular to the driving direction. We support our findings both with Langevin dynamics and with a theoretical model that accounts for the fluid-mediated interactions. Our work illustrates the role of the dispersing medium on the dynamics of driven colloidal matter and unveils the growing process and cluster morphologies above a periodic substrate.

Formats available

You can view this article in more than one different formats.

Supplementary Materials

This PDF file includes:

Supplementary Text

Other Supplementary Material for this manuscript includes the following:

Movies S1 to S4

REFERENCES AND NOTES

1
S. Matthias, F. Müller, Asymmetric pores in a silicon membrane acting as massively parallel Brownian ratchets. Nature 424 , 53–57 (2003).
2
M. J. Skaug, C. Schwemmer, S. Fringes, C. D. Rawlings, A. W. Knoll, Nanofluidic rocking Brownian motors. Science 359 , 1505–1508 (2018).
3
I. U. Vakarelski, N. A. Patankar, J. O. Marston, D. Y. C. Chan, S. T. Thoroddsen, Stabilization of Leidenfrost vapour layer by textured superhydrophobic surfaces. Nature 489 , 274–277 (2012).
4
S. Feng, P. Zhu, H. Zheng, H. Zhan, C. Chen, J. Li, L. Wang, X. Yao, Y. Liu, Z. Wang, Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering. Science 373 , 1344–1348 (2021).
5
H. Mazal, M. Iljina, I. Riven, G. Haran, Ultrafast pore-loop dynamics in a AAA+ machine point to a Brownian-ratchet mechanism for protein translocation. Sci. Adv. 7 , eabg4674 (2021).
6
R. D. Astumian, Thermodynamics and kinetics of a Brownian motor. Science 276 , 917–922 (1997).
7
D. Keller, C. Bustamante, The mechanochemistry of molecular motors. Biophys. J. 78 , 541–556 (2000).
8
J. W. McCausland, X. Yang, G. R. Squyres, Z. Lyu, K. E. Bruce, M. M. Lamanna, B. Söderström, E. C. Garner, M. E. Winkler, J. Xiao, J. Liu, Treadmilling FtsZ polymers drive the directional movement of sPG-synthesis enzymes via a Brownian ratchet mechanism. Nat. Commun. 12 , 609 (2021).
9
P. Reimann, Brownian motors: Noisy transport far from equilibrium. Phys. Rep. 361 , 57–265 (2002).
10
P. Hänggi, F. Marchesoni, Artificial Brownian motors: Controlling transport on the nanoscale. Rev. Mod. Phys. 81 , 387–442 (2009).
11
J. Rousselet, L. Salome, A. Ajdari, J. Prost, Directional motion of Brownian particles induced by a periodic asymmetric potential. Nature 370 , 446–447 (1994).
12
L. P. Faucheux, L. S. Bourdieu, P. D. Kaplan, A. J. Libchaber, Optical thermal ratchet. Phys. Rev. Lett. 74 , 1504–1507 (1995).
13
K. Gunnarsson, P. E. Roy, S. Felton, J. Pihl, P. Svedlindh, S. Berner, H. Lidbaum, S. Oscarsson, Programmable motion and separation of single magnetic particles on patterned magnetic surfaces. Adv. Mater. 17 , 1730–1734 (2005).
14
B. Yellen, O. Hovorka, G. Friedman, Arranging matter by magnetic nanoparticle assemblers. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102 , 8860–8864 (2005).
15
A. Ros, R. Eichhorn, J. Regtmeier, T. T. Duong, P. Reimann, D. Anselmetti, Absolute negative particle mobility. Nature 436 , 928 (2005).
16
S.-H. Lee, K. Ladavac, M. Polin, D. G. Grier, Observation of flux reversal in a symmetric optical thermal ratchet. Phys. Rev. Lett. 94 , 110601 (2005).
17
J. Frank, R. K. Agrawal, A ratchet-like inter-subunit reorganization of the ribosome during translocation. Nature 406 , 318–322 (2000).
18
C. C. de Souza Silva, J. V. de Vondel, M. Morelle, V. V. Moshchalkov, Controlled multiple reversals of a ratchet effect. Nature 440 , 651–654 (2006).
19
C. J. O. Reichhardt, C. Reichhardt, Ratchet effects in active matter systems. Annu. Rev. Condens. Matter. Phys. 8 , 51–75 (2017).
20
S. Park, J. Song, J. S. Kim, In silico construction of a flexibility-based DNA Brownian ratchet for directional nanoparticle delivery. Science 5 , eaav4943 (2019).
21
I. H. Riedel, K. Kruse, J. Howard, A self-organized vortex array of hydrodynamically entrained sperm cells. Science 309 , 300–303 (2005).
22
A. Vilfan, F. Jülicher, Hydrodynamic flow patterns and synchronization of beating cilia. Phys. Rev. Lett. 96 , 058102 (2006).
23
M. Baron, J. Bławzdziewicz, E. Wajnryb, Hydrodynamic crystals: Collective dynamics of regular arrays of spherical particles in a parallel-wall channel. Phys. Rev. Lett. 100 , 174502 (2008).
24
Y. Goto, H. Tanaka, Purely hydrodynamic ordering of rotating disks at a finite Reynolds number. Nat. Commun. 6 , 5994 (2015).
25
K. Yeo, E. Lushi, P. M. Vlahovska, Collective dynamics in a binary mixture of hydrodynamically coupled microrotors. Phys. Rev. Lett. 114 , 188301 (2015).
26
T. M. Squires, M. P. Brenner, Like-charge attraction and hydrodynamic interaction. Phys. Rev. Lett. 85 , 4976–4979 (2000).
27
J. Santana-Solano, J. L. Arauz-Lara, Hydrodynamic interactions in quasi-two-dimensional colloidal suspensions. Phys. Rev. Lett. 87 , 038302 (2001).
28
A. Grimm, H. Stark, Hydrodynamic interactions enhance the performance of Brownian ratchets. Soft Matter 7 , 3219–3227 (2011).
29
P. K. Ghosh, V. R. Misko, F. Marchesoni, F. Nori, Self-propelled janus particles in a ratchet: Numerical simulations. Phys. Rev. Lett. 110 , 268301 (2013).
30
A. V. Arzola, M. Villasante-Barahona, K. Volke-Sepúlveda, P. Jákl, P. Zemánek, Omnidirectional transport in fully reconfigurable two dimensional optical ratchets. Phys. Rev. Lett. 118 , 138002 (2017).
31
C. Marquet, A. Buguin, L. Talini, P. Silberzan, Rectified motion of colloids in asymmetrically structured channels. Phys. Rev. Lett. 88 , 168301 (2002).
32
B. H. Wunsch, J. T. Smith, S. M. Gifford, C. Wang, M. Brink, R. L. Bruce, R. H. Austin, G. Stolovitzky, Y. Astier, Nanoscale lateral displacement arrays for the separation of exosomes and colloids down to 20 nm. Nat. Nanotechnol. 11 , 936–940 (2016).
33
A. V. Straube, P. Tierno, Tunable interactions between paramagnetic colloidal particles driven in a modulated ratchet potential. Soft Matter 10 , 3915–3925 (2014).
34
F. Martinez-Pedrero, H. Massana-Cid, T. Ziegler, T. H. Johansen, A. V. Straube, P. Tierno, Bidirectional particle transport and size selective sorting of Brownian particles in a flashing spatially periodic energy landscape. Phys. Chem. Chem. Phys. 18 , 26353–26357 (2016).
35
J. R. Blake, A note on the image system for a stokeslet in a no-slip boundary. Proc. Camb. Philos. Soc. 70 , 303–310 (1971).
36
A. V. Straube, P. Tierno, Synchronous vs. asynchronous transport of a paramagnetic particle in a modulated ratchet potential. Europhys. Lett. 103 , 28001 (2013).
37
C. Lutz, M. Reichert, H. Stark, C. Bechinger, Surmounting barriers: The benefit of hydrodynamic interactions. Europhys. Lett. 74 , 719–725 (2006).
38
T. Neuhaus, M. Marechal, M. Schmiedeberg, H. Löwen, Rhombic preordering on a square substrate. Phys. Rev. Lett. 110 , 118301 (2013).
39
H. Kawamoto, K. Seki, N. Kuromiya, Mechanism of travelling-wave transport of particles. J. Phys. D Appl. Phys. 39 , 1249–1256 (2006).
40
B. B. Yellen, R. M. Erb, H. S. Son, R. Hewlin, H. Shang, G. U. Lee, Traveling wave magnetophoresis for high resolution chip based separations. Lab Chip 7 , 1681–1688 (2007).
41
C. Sándor, A. Libál, C. Reichhardt, C. J. O. Reichhardt, Collective transport for active matter run-and-tumble disk systems on a traveling-wave substrate. Phys. Rev. E 95 , 012607 (2017).
42
R. E. Goldstein, Traveling-wave chemotaxis. Phys. Rev. Lett. 77 , 775–778 (1996).
43
M. Hirano, K. Shinjo, Atomistic locking and friction. Phys. Rev. B Condens. Matter 41 , 11837–11851 (1990).
44
D. Cole, S. Bending, S. Savel’ev, A. Grigorenko, T. Tamegai, F. Nori, Ratchet without spatial asymmetry for controlling the motion of magnetic flux quanta using time-asymmetric drives. Nat. Mater. 5 , 305–311 (2006).
45
M. Belovs, R. Livanovics, A. Cebers, Hydrodynamic synchronization of pairs of puller type magnetotactic bacteria in a high frequency rotating magnetic field. Soft Matter 15 , 1627–1632 (2019).
46
J. Kotar, M. Leoni, B. Bassetti, M. Lagomarsino, P. Cicuta, Hydrodynamic synchronization of colloidal oscillators. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107 , 7669–7673 (2010).
47
N. Uchida, R. Golestanian, Generic conditions for hydrodynamic synchronization. Phys. Rev. Lett. 106 , 058104 (2011).
48
B. Lau, O. Kedem, J. Schwabacher, D. Kwasnieski, E. A. Weiss, An introduction to ratchets in chemistry and biology. Mater. Horiz. 4 , 310–318 (2017).
49
R. D. Astumian, M. Bier, Fluctuation driven ratchets: Molecular motors. Phys. Rev. Lett. 72 , 1766–1769 (1994).
50
F. Jülicher, A. Ajdari, J. Prost, Modeling molecular motors. Rev. Mod. Phys. 69 , 1269–1282 (1997).
51
P. Malgaretti, I. Pagonabarraga, D. Frenkel, Running faster together: Huge speed up of thermal ratchets due to hydrodynamic coupling. Phys. Rev. Lett. 109 , 168101 (2012).
52
S. Kassem, T. van Leeuwen, A. S. Lubbe, M. R. Wilson, B. L. Feringa, D. A. Leigh, Artificial molecular motors. Chem. Soc. Rev. 46 , 2592–2621 (2017).
53
C. Appert-Rolland, M. Ebbinghaus, L. Santen, Intracellular transport driven by cytoskeletal motors: General mechanisms and defects. Phys. Rep. 593 , 1–59 (2015).
54
C. Hepp, B. Maier, Kinetics of DNA uptake during transformation provide evidence for a translocation ratchet mechanism. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113 , 12467–12472 (2016).
55
P. Galajda, J. Keymer, P. Chaikin, R. Austin, A wall of funnels concentrates swimming bacteria. J. Bacteriol. 189 , 8704–8707 (2007).
56
M. B. Wan, C. J. Olson Reichhardt, Z. Nussinov, C. Reichhardt, Rectification of swimming bacteria and self-driven particle systems by arrays of asymmetric barriers. Phys. Rev. Lett. 101 , 018102 (2008).
57
L. Angelani, R. Di Leonardo, G. Ruocco, Self-starting micromotors in a bacterial bath. Phys. Rev. Lett. 102 , 048104 (2009).
58
R. D. Leonardo, L. Angelani, D. Dell’Arciprete, G. Ruocco, V. Iebba, S. Schippa, M. P. Conte, F. Mecarini, F. De Angelis, E. Di Fabrizio, Bacterial ratchet motors. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107 , 9541–9545 (2010).
59
P. Tierno, F. Sagués, T. H. Johansen, T. M. Fischer, Colloidal transport on magnetic garnet films. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 , 9615–9625 (2009).
60
P. Tierno, Magnetically reconfigurable colloidal patterns arranged from arrays of selfassembled microscopic dimers. Soft Matter 8 , 11443 (2012).

Information & Authors

Information

Published In

Science Advances
Volume 8 | Issue 23
June 2022

Copyright

Copyright © 2022 The Authors, some rights reserved; exclusive licensee American Association for the Advancement of Science. No claim to original U.S. Government Works. Distributed under a Creative Commons Attribution NonCommercial License 4.0 (CC BY-NC).
This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial license , which permits use, distribution, and reproduction in any medium, so long as the resultant use is not for commercial advantage and provided the original work is properly cited.

Submission history

Received : 4 February 2022
Accepted : 19 April 2022

Permissions

See the Reprints and Permissions page for information about permissions for this article.

Acknowledgments

We thank T. H. Johansen for providing us the FGF film.
Funding: This work has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme (grant agreement no. 811234). S.G.L. and I.P. acknowledge support from Horizon 2020 program through 766972-FET-OPEN-NANOPHLOW. R.L.S. acknowledges support from the Swiss National Science Foundation (grant 180729). I.P. acknowledges support from Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (grant no. PGC2018-098373-B-100 AEI/FEDER-EU) and from Generalitat de Catalunya under project 2017SGR-884 and Swiss National Science Foundation project no. 200021-175719. P.T. acknowledges support from Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (PID2019-108842GB-C21) and the Generalitat de Catalunya (ICREA Acadèmia).
Author contributions: S.G.L. performed numerical simulations and theory. R.L.S. carried out the experiments. I.P. and P.T. supervised the work. All authors discussed and interpreted the result of the manuscript.
Competing interests: The authors declare that they have no competing interests.
Data and materials availability: All data needed to evaluate the conclusions in the paper are present in the paper and/or the Supplementary Materials.

Authors

Affiliations

Departament de Física de la Matèria Condensada, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain.
Universitat de Barcelona Institute of Complex Systems (UBICS), Universitat de Barcelona, Barcelona 08028, Spain.
Departament de Física de la Matèria Condensada, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain.
Departament de Física de la Matèria Condensada, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain.
Universitat de Barcelona Institute of Complex Systems (UBICS), Universitat de Barcelona, Barcelona 08028, Spain.
CECAM, Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Batochime, Avenue Forel 2, 1015 Lausanne, Switzerland.
Departament de Física de la Matèria Condensada, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain.
Universitat de Barcelona Institute of Complex Systems (UBICS), Universitat de Barcelona, Barcelona 08028, Spain.
Institut de Nanociència i Nanotecnologia, IN 2 UB, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain.

Funding Information

H2020: 766972-FET-OPEN-NANOPHLOW
Ministerio de Ciencia Innovacio Universidades: PGC2018-098373- B-100 AEI/FEDER-EU
Ministerio de Ciencia Innovacio Universidades: PID2019- 108842GB-C21

Notes

*Corresponding author. Email: [email protected]
These authors contributed equally to this work.

Metrics & Citations

Metrics

Article Usage

Note: The article usage is presented with a three- to four-day delay and will update daily once available. Due to this delay, usage data will not appear immediately following publication.

Citation information is sourced from Crossref Cited-by service.

Altmetrics

Citations

Export citation

Select the format you want to export the citation of this publication.

Please select one from the list RIS (ProCite, Reference Manager) EndNote BibTex Medlars RefWorks

Citation information is sourced from Crossref Cited-by service.

View Options

View options

PDF format

Download this article as a PDF file

Download PDF

Get Access

Log in to view the full text

AAAS ID LOGIN

AAAS login provides access to Science for AAAS Members, and access to other journals in the Science family to users who have purchased individual subscriptions.

Log in via OpenAthens.
Log in via Shibboleth.

More options

Purchase digital access to this article

Download and print this article for your personal scholarly, research, and educational use.

Media

Figures

Multimedia

Tables

Share

Share

Share article link

Copy Link

Copied!

Copying failed.

Share on social media

Читайте на 123ru.net


Новости 24/7 DirectAdvert - доход для вашего сайта



Частные объявления в Вашем городе, в Вашем регионе и в России



Smi24.net — ежеминутные новости с ежедневным архивом. Только у нас — все главные новости дня без политической цензуры. "123 Новости" — абсолютно все точки зрения, трезвая аналитика, цивилизованные споры и обсуждения без взаимных обвинений и оскорблений. Помните, что не у всех точка зрения совпадает с Вашей. Уважайте мнение других, даже если Вы отстаиваете свой взгляд и свою позицию. Smi24.net — облегчённая версия старейшего обозревателя новостей 123ru.net. Мы не навязываем Вам своё видение, мы даём Вам срез событий дня без цензуры и без купюр. Новости, какие они есть —онлайн с поминутным архивом по всем городам и регионам России, Украины, Белоруссии и Абхазии. Smi24.net — живые новости в живом эфире! Быстрый поиск от Smi24.net — это не только возможность первым узнать, но и преимущество сообщить срочные новости мгновенно на любом языке мира и быть услышанным тут же. В любую минуту Вы можете добавить свою новость - здесь.




Новости от наших партнёров в Вашем городе

Ria.city

Турция отправила в Иран вертолет с системой ночного видения для поисков Раиси

Спасатели ликвидируют пожар в торгово-офисном здании на востоке Москвы

IRNA: Путин провел встречу с послом Ирана после крушения вертолета Раиси

Актер Олег Зимин умер от остановки сердца за считанные дни до 65-летия

Музыкальные новости

«Недоволен и беспокоится»: WSJ узнала о реакции лидера КНР на визит Путина в КНДР

RPG Battle of Souls доступна в Google Play 2 стран

«Спартак» обыграл «Рубин» в последнем домашнем матче Джикии

Бурятский театр «Ульгэр» показал на выставке «Театральная весна» кукольный постановку: Россия, Дети, нацпроект Культура

Новости России

Сексуальная жизнь москвичей в удалые 90-е годы

Турция отправила в Иран вертолет с системой ночного видения для поисков Раиси

Спасатели ликвидируют пожар в торгово-офисном здании на востоке Москвы

Колумнист американского Atlantic Азизи: Президент Ирана Раиси погиб

Экология в России и мире

Электрические зубные щетки Revyline RL010 White и зубную пасту Revyline Smart заказать в Якутске

Выставки индустрии моды в Москве

МОСКОВСКИЙ ФЕСТИВАЛЬ ПОД ФЛАГОМ РУССКИХ СУПЕРГЕРОЕВ.

Лукашенко лоббирует интересы Алиева по изоляции Армении

Спорт в России и мире

Первая ракетка Казахстана вышла в финал турнира WTA в Италии

Звонарёва проиграла американке Крюгер в квалификации турнира в Страсбурге

Соболенко вышла в финал турнира WTA-1000 в Риме, в двух сетах обыграв Коллинз

Джокович выступит на турнире АТР по уайлд-кард в третий раз в карьере

Moscow.media

Азербайджанский мигрант возмутился из-за того, что в Калининграде суд назначил 4,5 года лишения свободы за убийство в ДТП школьницы. Видео

Основные операции и сражения Великой Отечественной войны

Вендор технологических решений DатаРу перешел на сервис кадрового ЭДО от HRlink

Бастрыкин затребовал доклад о насильственном отношении к детям из Москвы











Топ новостей на этот час

Rss.plus






Министр экономики Белоруссии Чеботарь заявил о росте инвестиций из России

Турция отправила в Иран вертолет с системой ночного видения для поисков Раиси

Студент ДИУ занял первое место на Всероссийском конкурсе молодых алимов

«Возрожденная коллекция». В Москве «Ночь в музее» ушла в цифру