Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14141(2022) 이 기사 인용
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진동하는 물침대 위의 래칫 기어는 단방향 회전을 나타냅니다. 그러나 회전 방향은 입상 베드에 배치된 기어의 회전 방향과 반대입니다. 단방향 회전은 물의 표면파에 의해 발생합니다. 표면 변형으로 인해 물 요소가 이동하여 기어가 회전합니다. 표면파와 기어 형상의 공간 대칭이 회전 토크를 조절합니다. 본 연구에서는 동일한 래칫이 입상층과 물층 사이의 역방향 운동을 보여주며, 방향은 래칫 형상에 의해서만 결정되지 않습니다. 작은 교반으로 인한 유체 매체의 자체 조직화는 회전 방향의 적지 않은 반전을 유도합니다.
균일한 전위장에서 자발적인 규칙적인 운동은 생물학적 운동의 관점에서 주목을 끌었으며, 여기서 화학 반응에 의한 무작위 운동의 정류는 명백히 균일한 전위장에서 실현됩니다. 분자 모터의 경우 전형적인 생물학적 운동인 래칫형 전위는 톱니 전위 모양의 주기적인 변화가 분자를 전달하는 정류의 중요한 부분으로 종종 가정됩니다. 운반 방향은 래칫의 비대칭 모양에 의해서만 결정되었습니다. 널리 받아들여지는 메커니즘에 따르면, 화학 반응은 래칫 모양의 주기적인 변화를 일으키며, 이는 열 교반의 도움으로 이동 방향을 결정합니다.
생물학적 운동에 대한 이해는 활성 물질8,9,10,11에 대한 많은 연구에 영감을 주었습니다. 그들은 화학 반응과 물리적 자극(예: 빛 조사)을 통해 자발적으로 움직입니다. 최근 생물학적 및/또는 기계적 교반에 의해 구동되는 래칫 모터가 연구되었습니다. 박테리아 함유 용액의 래칫 모터는 단방향 회전을 나타냅니다. 여기서 이동하던 박테리아가 래칫기어와 충돌하여 움직인다. 운동이 단지 브라운 운동(죽어가는 박테리아)일 때, 래칫은 열역학 제2법칙에 의해 설명되는 한계로 인해 단방향 회전을 나타내지 않습니다. 따라서 이 결과는 평형 및 비평형 무작위 동작 간의 중요한 차이를 보여줍니다. 최근 저자 그룹은 진동 디스크의 입상층에서 회전하는 기어를 시연했습니다. 두 경우 모두 고체 입자(박테리아 및 과립)가 래칫의 측벽과 충돌하여 회전을 일으켰습니다. 두 시스템 모두 대칭 모양의 기어에 대해서는 단방향 스핀이 나타나지 않습니다. 회전 방향은 주로 기어의 비대칭 모양에 의해 결정됩니다. 따라서 동일한 유형의 기어를 사용할 때마다 두 경우 모두 회전 방향이 동일합니다. 일반적으로 입자는 래칫과 무작위로 충돌하며 더 큰 회전 토크를 생성하는 충돌이 회전 방향을 결정합니다. 충돌하는 입자가 살아있는 유기체인지, 활성화된 무기물인지에 관계없이 공통 메커니즘이 존재하는 것으로 보입니다. 따라서 대부분의 경우 기어의 비대칭 형상에 따라 회전 방향이 결정됩니다.
그러나 래칫 모터의 운동 방향은 항상 래칫 모양만으로 결정되는 것은 아닙니다. 역방향 운동에 대한 이론적 연구들이 보고되었으며, 래칫 기판을 이용한 가역적 운동이 뜨거운 주제로 연구되어 왔습니다23,24, 예를 들어 Magnus 래칫25,26. 본 연구에서는 진동 입상층에 사용된 것과 동일한 유형의 기어를 수직 진동형 물층에 배치하였다. 기어는 제한된 진동 주파수 및 기어 직경 범위 내에서 단방향 회전을 나타냈습니다. 놀랍게도 회전 방향은 과립층이나 살아있는 박테리아 배지에 놓았을 때와 반대였습니다. 본 연구에서는 이산 물질과 연속 물질 사이의 교반 매체의 차이를 보여줍니다.
fe,c) in Fig. 4a, the gear height is almost constant. The gear did not oscillate significantly against the water surface, although oscillations with small amplitudes were observed. The anti-phase relationship shown at 10 Hz was not observed. The same trend is observed at 24 Hz, as shown in Fig. 4a and c where the Lissajous figure does not show a regular pattern. Therefore, an anti-phase relationship was observed only at fe < fe,c. This trend was confirmed in almost all experiments performed in this study. This indicates that the critical frequency fe,c is the maximum value for the gear to oscillate in the antiphase against the water surface./p> fe,c indicates that the gear does not oscillate significantly against the water surface. When Agear/Awater reaches this value (~ 0.2), the anti-phase oscillation of the gear is lost. In other words, the anti-phase oscillation and the larger oscillation amplitude of the gear are coupled./p> 30 Hz and fw = fe for fe < 30 Hz (SI-3). Figure 5a shows a photograph of the water surface. When fe < 30 Hz (fw = fe), the pattern is circular. However, when fe ≳ 30 Hz (fw = fe/2), the circular texture was violated and restricted to the central portion (Supplementary movie 2). A one-way spin is obtained with almost perfect reproducibility when the circular pattern dominates the entire water surface. This circular pattern was not violated by the presence of the gear./p> fe,c), circular patterns were formed, and the space–time plot along the radial direction was independent of the azimuth. The space–time plot is that of a simple stationary wave for both frequencies. A stationary wave is formed by two oppositely traveling waves of the same wavelength and frequency. The wave velocity of each wave may be estimated from the line diagonally connecting the wave crest (or bottom) in the space–time plot. More precisely, the velocity was obtained from the relationship between the wavelength and frequency, as shown in Fig. 5d. Here, the wavelength λ is estimated from the space–time plot, and the frequency is fe. The oscillation frequency of the water surface fw is equal to fe when fe ≲ 30 Hz. This is shown in the Fourier spectra in Fig. 5b. The result in Fig. 5d is well correlated by the line λ (mm) = 235/fe (Hz). This indicates that the wave velocity was 235 mm/s. The diagonal line that expresses this velocity, which well connects the wave crests (or bottoms), is shown in Fig. 5b. This value agrees with the theoretical calculation for the surface wave of shallow water (\(\sqrt {gH} = \sqrt {9800{\text{ mm}}/{\text{s}}^{2} \cdot 5.6 {\text{mm}}} = 234\frac{{{\text{mm}}}}{{\text{s}}}.{\text{ Here}},{ }H{\text{ is the depth of water}}\))./p> fe,c. However, the angular velocity is smaller (almost zero) at extremely high frequencies (> 40 Hz), as shown in Fig. 3a and SI-1. When fe ≳ 30–40 Hz, a complicated wave pattern often appears instead of a circular texture on the water surface, as shown in Fig. 5a. This probably reduces the stability of the one-way spin because the radial motion of the water volume may be violated by this complicated wave pattern, that is, the water volume by the damping of the wave crest (Fig. 6a) may move toward the circumferential direction. This event destabilizes the one-way spin./p> fmax, the adhesion force between the gear and water may maintain contact. This may increase the actual fmax. Because the precise estimation of fmax is not easy in experiments, further discussion is difficult at present./p>
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