สสารแอคทีฟ
สสารแอคทีฟคือสสารที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยซึ่งใช้พลังงานเฉพาะที่ แล้วเปลี่ยนพลังงานนั้นเป็นการเคลื่อนที่ แรง การเปลี่ยนรูปร่าง หรือพฤติกรรมรวมหมู่ที่มีระเบียบ
สสารแอคทีฟคืออะไร
สสารแอคทีฟเป็นกลุ่มของระบบทางกายภาพที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยจำนวนมากซึ่งใช้พลังงานและเปลี่ยนเป็นการเคลื่อนที่ แรง หรือการเปลี่ยนแปลงภายใน หน่วยเหล่านี้อาจเป็นเซลล์มีชีวิต แบคทีเรีย มอเตอร์โมเลกุล สัตว์ คอลลอยด์สังเคราะห์ เม็ดวัสดุที่ถูกสั่น หรือหุ่นยนต์ขนาดเล็ก
ทำไมจึงเรียกว่าแอคทีฟ
ในสสารแบบพาสซีฟทั่วไป อนุภาคอาจเคลื่อนที่เพราะอุณหภูมิ สนามภายนอก หรือการไหลที่ถูกบังคับ แต่ในสสารแอคทีฟ แต่ละหน่วยมีแหล่งพลังงานหรือแรงขับของตัวเอง แบคทีเรียใช้เมแทบอลิซึมเพื่อว่ายน้ำ โปรตีนมอเตอร์ใช้พลังงานเคมี และหุ่นยนต์ใช้พลังงานที่เก็บไว้เพื่อเคลื่อนที่
ไกลจากสมดุล
สสารแอคทีฟสลายพลังงานอย่างต่อเนื่อง จึงต่างจากระบบที่เพียงผ่อนคลายเข้าสู่สมดุล เพราะพลังงานถูกใส่เข้าไปเฉพาะที่ผ่านหน่วยย่อยจำนวนมาก ระบบแอคทีฟจึงสร้างรูปแบบ การไหล และความผันผวนที่อาจดูน่าประหลาดใจในวัสดุพาสซีฟ
การเคลื่อนที่รวมหมู่
หนึ่งในพฤติกรรมเด่นของสสารแอคทีฟคือการเคลื่อนที่รวมหมู่ หน่วยเคลื่อนที่เรียบง่ายจำนวนมากสามารถจัดแนว รวมกลุ่ม หมุนวน ติดขัด แยกเป็นบริเวณหนาแน่นและเบาบาง หรือเคลื่อนที่เป็นฝูงได้ รูปแบบเหล่านี้อาจเกิดขึ้นแม้แต่ละหน่วยจะทำตามกฎเฉพาะที่เท่านั้น
ตัวอย่างทางชีววิทยา
ชีววิทยาให้ตัวอย่างระบบแอคทีฟมากมาย เช่น สารแขวนลอยของแบคทีเรีย ชั้นเซลล์ เนื้อเยื่อ เส้นใยโครงร่างเซลล์ เซลล์อสุจิ ฝูงปลา ฝูงแมลง และฝูงนก การศึกษาสิ่งเหล่านี้ในฐานะสสารแอคทีฟช่วยเปิดเผยว่าแรงทางกายภาพและการใช้พลังงานหล่อหลอมการจัดระเบียบของสิ่งมีชีวิตอย่างไร
สสารแอคทีฟสังเคราะห์
นักวิจัยยังสร้างระบบแอคทีฟที่ไม่มีชีวิต เช่น คอลลอยด์ขับเคลื่อนตัวเอง ไมโครสวิมเมอร์ที่ใช้พลังงานเคมี อนุภาคกระตุ้นด้วยแสง เม็ดวัสดุที่ถูกสั่น และหุ่นยนต์ที่เคลื่อนเป็นฝูง ระบบเหล่านี้ช่วยทดสอบทฤษฎี เพราะปฏิสัมพันธ์และแรงขับมักควบคุมได้สะอาดกว่าสิ่งมีชีวิต
แบบจำลองและการวัด
งานวิจัยสสารแอคทีฟใช้การทดลอง การจำลอง แบบจำลองอุทกพลศาสตร์ ทฤษฎีจลนศาสตร์ และกลศาสตร์สถิติ แบบจำลองมักถามว่ากฎเฉพาะที่ของการเคลื่อนที่ การจัดแนว สัญญาณรบกวน ความหนาแน่น และปฏิสัมพันธ์ สร้างระเบียบระดับใหญ่ การไหลคล้ายความปั่นป่วน หรือการแยกเฟสได้อย่างไร
ทำไมจึงสำคัญ
สสารแอคทีฟเชื่อมฟิสิกส์ ชีววิทยา วัสดุศาสตร์ หุ่นยนต์ และนาโนเทคโนโลยี มันช่วยอธิบายว่าระบบมีชีวิตเคลื่อนที่และจัดระเบียบตัวเองอย่างไร และอาจนำทางสู่วัสดุใหม่ที่ซ่อมแซมตัวเอง ขนส่งสินค้า ผสมของไหล ปรับตัวตามสภาพแวดล้อม หรือประกอบตัวเองได้