Chiral Locomotion Transitions of an Active Gel and Their Chemomechanical Origin

化学 生物物理学 化学物理 计算化学 生物
作者
Haodi Yu,Lin Ren,Yunjie Wang,Hui Wang,Meng Zhang,Changwei Pan,Ling Yuan,Jiujun Zhang,Irving R. Epstein,Qingyu Gao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (6): 5182-5188 被引量:6
标识
DOI:10.1021/jacs.4c15550
摘要

Transitions between chiral rotational locomotion modes occur in a variety of active individuals and populations, such as sidewinders, self-propelled chiral droplets, and dense bacterial suspensions. Despite recent progress in the study of active matter, general principles governing rotational chiral transition remain elusive. Here, we study, experimentally and theoretically, rotational locomotion and its chiral transition in a 2D polyacrylamide (PAAm)-based BZ gel driven by Belousov-Zhabotinsky reaction-diffusion waves. Analysis reveals that the phase difference (Δφ) between orthogonal components of kinematic quantities, such as chemomechanical force, displacement, and velocity, determines rotational chirality, i.e., chiral locomotion transition occurs when Δφ changes sign. This criterion is illustrated with a kinematic equation, which can be applied to biological and physical systems, including super-rotational/superhelical locomotion reported recently during E. gracilis swimming and sperm navigation. This work has potential applications for the design of functional materials and intelligent robots.
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