Vědci zkoumají aktivní hmotu, systémy s vlastním pohonem měnící pohled na fyziku

Vědci napříč fyzikou a biologií se stále intenzivněji věnují takzvané aktivní hmotě – systémům, které se od klasické neživé hmoty zásadně liší tím, že jejich jednotlivé části nejsou v pohybu pasivně, ale samy spotřebovávají energii k tomu, aby se pohybovaly. Zatímco kámen se pohne jen tehdy, když do něj něco strčí, ryba v hejnu nebo bakterie v roztoku si energii na pohyb dodává sama, obvykle přeměnou chemické energie na mechanickou.

Tento koncept zahrnuje překvapivě širokou škálu jevů. Patří sem školy ryb, které se pohybují jako jeden organismus, hejna ptáků měnící tvar během letu, ale také mikroskopické syntetické částice vytvořené uměle v laboratořích. Společným jmenovatelem všech těchto systémů je, že se skládají z jednotlivých jednotek – ať už jde o živé organismy, nebo neživé částice – z nichž každá neustále využívá vlastní zdroj energie k vytváření pohybu.

Právě tato vlastnost odlišuje aktivní hmotu od tradičních fyzikálních systémů, kterými se fyzika zabývala po staletí. Klasická termodynamika a statistická fyzika popisují systémy v rovnováze nebo blízko rovnováhy, kde se energie postupně rozptyluje a systém směřuje k nejméně uspořádanému stavu. Aktivní hmota se naopak nachází trvale mimo rovnováhu – jednotlivé částice do systému neustále přivádějí energii zvenčí, respektive z vlastních zásob, a přeměňují ji na pohyb. Díky tomu mohou vznikat uspořádané struktury a koordinované chování, které by v pasivním systému nebylo možné.

Pohyb jednotek aktivní hmoty přitom může mít různou povahu. Někdy se jedná o čistě individuální aktivitu, kdy se každá částice pohybuje nezávisle na ostatních podle vlastního programu nebo náhodného mechanismu. Jindy je pohyb výsledkem interakcí mezi jednotkami navzájem nebo mezi jednotkami a jejich prostředím. Právě tyto interakce jsou klíčové pro vznik kolektivních jevů – tedy situací, kdy se z chování jednotlivých, relativně jednoduchých částic vynoří komplexní chování celého systému. Typickým příkladem je právě synchronizovaný pohyb hejna ptáků nebo školy ryb, kde žádný jedinec nemá přehled o celku, přesto skupina jako celek reaguje na predátory nebo překážky koordinovaně.

Zájem o aktivní hmotu není omezen jen na pozorování přírodních systémů. Fyzici a materiáloví vědci se snaží podobné principy napodobit uměle, a to prostřednictvím mikroskopických syntetických částic, které dokážou přeměňovat chemickou energii z okolního prostředí na vlastní pohyb. Takové částice mohou sloužit jako modelové systémy pro pochopení obecných zákonitostí aktivní hmoty, ale otevírají také cestu k praktickým aplikacím – od cíleného doručování léčiv v těle, přes samoopravitelné materiály, až po miniaturní roboty schopné pohybu bez centrálního řízení.

Studium aktivní hmoty tak spojuje obory, které se dříve rozvíjely odděleně – biologii, fyziku měkké hmoty i materiálové inženýrství. Pochopení toho, jak jednoduchá pravidla na úrovni jednotlivých částic vedou ke složitému kolektivnímu chování, má význam nejen pro základní výzkum, ale i pro návrh nových typů materiálů a technologií, které by dokázaly reagovat na své okolí podobně flexibilně jako živé organismy.

I přes rostoucí objem výzkumu zůstává aktivní hmota oblastí s řadou otevřených otázek. Vědci se snaží najít obecné matematické a fyzikální rámce, které by dokázaly popsat chování tak rozdílných systémů, jako jsou hejna zvířat na jedné straně a syntetické mikročástice na straně druhé. Cílem je odhalit univerzální principy, které stojí za samoorganizací v systémech neustále čerpajících a spotřebovávajících energii, bez ohledu na to, zda jde o živou, nebo neživou hmotu.