Polar jets of swimming bacteria condensed by a patterned liquid crystal

液晶 物理 化学物理 极地的 细菌 纳米技术 凝聚态物理 材料科学 量子力学 遗传学 生物
作者
Taras Turiv,Runa Koizumi,Kristian Thijssen,Mikhail Genkin,Hao Yu,Chenhui Peng,Qi‐Huo Wei,Julia M. Yeomans,Igor S. Aranson,Amin Doostmohammadi,Oleg D. Lavrentovich
出处
期刊:Nature Physics [Nature Portfolio]
卷期号:16 (4): 481-487 被引量:79
标识
DOI:10.1038/s41567-020-0793-0
摘要

Active matter exhibits remarkable collective behavior in which flows, continuously generated by active particles, are intertwined with the orientational order of these particles. The relationship remains poorly understood as the activity and order are difficult to control independently. Here we demonstrate important facets of this interplay by exploring dynamics of swimming bacteria in a liquid crystalline environment with pre-designed periodic splay and bend in molecular orientation. The bacteria are expelled from the bend regions and condense into polar jets that propagate and transport cargo unidirectionally along the splay regions. The bacterial jets remain stable even when the local concentration exceeds the threshold of bending instability in a non-patterned system. Collective polar propulsion and different role of bend and splay are explained by an advection-diffusion model and by numerical simulations that treat the system as a two-phase active nematic. The ability of prepatterned liquid crystalline medium to streamline the chaotic movements of swimming bacteria into polar jets that can carry cargo along a predesigned trajectory opens the door for potential applications in cell sorting, microscale delivery and soft microrobotics.
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