シャロン・グロッツァーは、キャリアを変えるような多くの発見をしてきましたが、その一つ一つが「世界の見方を完全に変える」ものであり、「『うわー、これに従う必要がある』と思わせてくれます」と彼女は言いました。
アナーバーにあるミシガン大学の 3 つの学部にまたがる 33 人の活発な研究グループを率いる訓練を受けた理論的なソフト凝縮物質物理学者である Glotzer は、コンピューター シミュレーションを使用して、単純なオブジェクトが驚くべき集団行動を引き起こす現象である創発を研究しています。 「ムクドリの群れが空に信じられないほどのパターンを作るとき、それらは現実のものではないように見えます。そのパターンは常に変化しています。人々は、地球上にいたときからそのパターンを見てきたのです」と彼女は言いました。 「しかし、科学者が疑問を持ち始めたのはごく最近のことです。彼らはどのようにそれを行うのでしょうか?鳥はどのようにコミュニケーションを取っているので、すべてが設計図に従っているかのように見えますか?」
グロッツァーは、微視的な相互作用と配置から巨視的な特性がどのように現れるかを支配する基本原理を探しています。大きな突破口となったのは、1990 年代後半、彼女がメリーランド州ゲイザーズバーグにある国立標準技術研究所の若い研究者だったときです。彼女と彼女のチームは、原子が所定の位置に固定されているが結晶化されていない、物質の一般的でありながら神秘的な段階であるガラスへの移行に近づいている液体の最も初期の最高のコンピューターシミュレーションをいくつか開発しました。シミュレーションでは、コンガ ラインのように他の方法ではフラストレーションがたまった素材の中を滑るように動きの速い原子のストリングが明らかになりました。同様のフロー パターンは、後に、粒状システム、群衆、交通渋滞でも観察されました。この調査結果は、シミュレーションが新たな現象を明らかにする能力を実証しました。
最近では、2009 年にグロッツァーと彼女のミシガン大学のグループが、一般的に無秩序と混同されている概念であるエントロピーが実際に物事を整理できることを発見したときに、「すごい」瞬間がありました。彼らのシミュレーションは、エントロピーが四面体と呼ばれる単純なピラミッド形状を駆動して準結晶に自発的に集合させることを示しました。これは非常に複雑な空間パターンであり、正確に繰り返されることはありません。この発見は、複雑さと秩序の出現においてエントロピーが果たす強力で逆説的な役割を初めて示したものでした。
最近、グロッツァーと会社は、彼女が「デジタル錬金術」と呼ぶものに取り組んでいます。材料科学者が特定の構造または材料を作成したいとしましょう。 Glotzer 氏のチームは、目的の形に組み立てられる微細なビルディング ブロックの形状をリバース エンジニアリングすることができます。それは、金をゼロから作り上げるようなものです。近代になって初めて、切望された物質がコロイド結晶または高分子集合体である可能性があります。
Glotzer は最終的に、一般的な出現を支配する規則を求めています。それは、単純な前駆体から自発的に生じる自己組織化準結晶、結晶化タンパク質、または生きた細胞を記述するための単一のフレームワークです。彼女は、Quanta Magazine でユーレカがちりばめられた道について話しました 2月中;インタビューの要約および編集版が続きます。
QUANTA MAGAZINE:あなたの有名な雑誌について教えてください 2009年 自然紙 自己組織化をエントロピーと関連付けました。
SHARON GLOTZER:水の入ったプールに野球ボールがあると想像してみてください。ボールはプールとまったく同じ密度で、沈むことも浮くこともありません。ただ宙に浮いて、飛び交うだけだと想像してください。次に、それらをすべて一緒に閉じ込めようとします。自己組織化とは、野球ボールが自発的に認識可能なパターンに組織化するときに起こることです。そして、粒子が完全に硬く、他の相互作用がない場合、可能な限り高いエントロピーを持つように組織化されます。
私たちはこれらの四面体を研究していましたが、それは最も単純なプラトン立体であり、最も単純な 3 次元形状ですよね?これらのダンジョンズ &ドラゴンズ ダイス。エントロピーのみに基づいて、彼らが互いにどのように調整するのが好きかを見るのは興味深いだろうと私は思いました。つまり、彼らの間に直接的な相互作用はありませんでした。無料です。何もありません。エントロピーがあるだけです。しかし、私はそれがどれほど面白いかわかりませんでした。彼らが彼らのような構造を形成するとは思いもしませんでした.
あなたは、四面体が組織化して準結晶になることを示しました。これは非常に複雑で規則正しい構造です。人々は通常、エントロピー増加の法則を物事がより乱雑になる傾向として理解していますが、あなたはエントロピーが秩序につながると言っています.それがパラドックスではないのはなぜですか?
それが完全に直感に反していることは間違いありません。通常、エントロピーは無秩序を意味すると考えられているため、無秩序な構造は秩序のある構造よりもエントロピーが大きくなります。これは特定の状況下では当てはまりますが、常に当てはまるとは限りません。このような場合は当てはまりません。私は、エントロピーをオプションに関連するものと考えるのが好きです。粒子のシステムがそれ自体を構成する必要があるオプションが多いほど、エントロピーは高くなります。特定の状況では、システムが注文された場合、システムのビルディング ブロックのオプション (配置の可能性) が増える可能性があります。
何が起こるかというと、粒子は動き回る必要がある空間の量を最大化しようとします。動き回ることができれば、位置と向きを再調整できます。より多くのポジション、より多くのオプション、そしてより多くのエントロピー。ですから、これらの野球が水中にあることを想像してください。それらは動き回っています — 平行移動、回転しています。水分子の熱運動のために、それらは揺れています。そして、これらのシステムがやりたいことは、粒子を十分に離して、すべての粒子が利用できるウィグル ルームの量を最大化することです。粒子の形状によっては、非常に複雑な配置になる可能性があります。
そのため、四面体や野球ボールのような粒子は、より多くの方法で小刻みに動くことを可能にする状態に進化し、したがってより高いエントロピーを持ちます。エントロピーから秩序を得ることができることを人々は以前から知っていましたか?
エントロピーだけで小板や棒状粒子、球状粒子が整列することが知られていますが、それらの秩序だった相は非常に単純です。組織にとってこれほど重要な原動力になるとは、あまり考えられていませんでした。この四面体のコンピューター実験を行って、今でも誰もが見た中で最も複雑なエントロピー的に安定した構造であることが判明したとき、それは人々がこれを見る方法を本当に変えました.
それで、私のグループは太陽の下であらゆる形を研究し始めました。あらゆる種類の凸形状をコンピューターに投げ込み始めたばかりで、非常に複雑な結晶構造を次々と取得し続けました。 2012 年に Science に論文を発表しました 145 の異なる形状を調べたところ、そのうちの 101 が自己組織化してある種の複雑な結晶になっていることがわかりました。それ以来、私のグループは何万もの異なる形を作ってきました。 50,000 の形状を含む 1 つの論文を公開しました。
把握していることは何ですか?
私が今求めている質問の種類は次のとおりです。既知のすべての結晶構造のデータベース全体があります。そして、これらすべての「空間群」は、これらすべての異なる対称操作 [構造を変更しない回転と平行移動] に従うことができる構造を意味します。それらの数百があります。エントロピーだけでそれらすべてを取得できますか?コロイド粒子 (ゲルに見られるようなもの) では、相互作用がなくても、既に 50 もの既知の空間群を得ることができました。エントロピーだけでは不可能なことはありますか?もしそうなら、なぜですか？また、形状の混合にも注目しています。複雑なクレイジーな形状や凹んだ形状についても話しませんでした。では、エントロピーだけでどこまで行けるのでしょうか?そして、同じ構造をさまざまな方法で形成できるとはどういう意味ですか?物質の組織について理解すべきもっと根本的なことがあります。形状とエントロピーに焦点を当てることで、その核心に迫ることができます。
私たちが気づいたことの 1 つは、いくつかの設計規則があることです。たとえば、多面体に大きくて平らなファセットがある場合、それらのファセットが互いに向き合うように整列させたいと考えます。これにより、揺れる余地が増え、粒子を配置する方法が増えるからです。しかし、サイズがすべて異なるファセットが多数ある場合、予測が難しくなります。秩序だった構造ではなく、ガラス状のシステムまたは詰まったシステムになってしまう可能性があります。
ここ数年で、あなたは逆方向に働き始めました。
私たちは基本的にコンピューターで錬金術を行っています。古代の錬金術師は、元素を変換して鉛を金に変えたいと考えていました。しかし、特定の構造があり、構造を取得するのに最適な形状を知りたいと想像してください。それが現在、多くの材料科学者が行っていることであり、問題をひっくり返そうとしている.この「逆デザイン」アプローチは、化合物をスクリーニングしたり、タンパク質結晶を見つけたりする方法とは異なります。その場合、シミュレーションを繰り返してシミュレーションを行い、大量の異なる分子を実行して、次のように言います。
逆デザインはより戦略的です。ターゲット構造から始めて、統計的熱力学を使用して、設計上の問題を解決する粒子を見つけます。私たちが行ったことは、これらの種類のシミュレーションが通常行われる方法を拡張して、形状を変数として含めることです。これで、ビルディング ブロックの形状をシミュレーションでオンザフライで変更し、システムに最適なものを教えてもらう単一のシミュレーションを実行できるようになりました。そのため、何千ものシミュレーションを実行する代わりに、1 つのシミュレーションを実行して、システムに教えてもらうことができます。目的の構造に最適なビルディング ブロックは何か?だから私はそれをデジタル錬金術と呼んでいます。
あなたも考えました エントロピーが生命の起源に役割を果たした可能性 .
ほとんどの科学者は、秩序を保つには化学結合が必要だと考えています — 相互作用が必要です。そして、私たちはあなたがそうではないことを示しました.オブジェクトを十分に制限すれば、自己組織化できるオブジェクトを持つことができます。では、最初の自己組織化は何だったのか、それはどのようにして起こったのかという質問に進むと、水の入った岩石にこれらの小さな微細な隙間があり、そこに分子があり、エントロピーだけで自己組織化できると想像できます。つまり、人生とますます複雑化するものについて考えるのは、まったく異なる方法です。それらは互いに互換性がありますが、これはただ言っているだけです:私はこれを行ったので、たくさんのオブジェクトを取り、それらを小さな液滴に入れ、液滴を少し縮小できることを知っています。これらのオブジェクトは自発的に整理。ですから、その現象は生命の起源において重要なのかもしれませんが、それは考慮されていないと思います.
最初に出現に魅了されたのはいつですか?
ボストン大学の大学院に行ったとき、私は実験室に参加しました。基本的にスパッタチャンバーのフランジの設計に1年を費やしました。私は刺激を受けませんでした。パズルが好き、コンピューターが好き、数学が好き。ある日、真空ポンプが爆発して、ポンプ油まみれになりました。私が研究室を出たとき、教授のジーン・スタンレーが私を見てこう言いました。私に話に来てください。その日の終わりまでに、私は彼のグループに切り替えて参加しました。スタンレーと一緒に、相分離ポリマー混合物の動力学を研究していました。たとえば、ポリマー同士がくっついたりつながったりするとどうなるかを調べていました。競合する原動力が存在する場合、どのような構造が得られるでしょうか? ポリマーを分離させたい場合と、ポリマーを混合させたい場合です。そこからどのような創発現象が生まれるのでしょうか。当時、私はそれを説明するためにその言葉を使用していませんでしたが、その時、単純なものから生じる予測不可能な創発的な複雑さのこのアイデアが好きであることに気づきました.
あなたは (最終的に数えて) 27 人の大学院生、半ダースのポスドク、およびサポート スタッフを監督しています。それはかなり多いです。
2人で始めました。それから私は4つ持っていました。時間が経つにつれて、私は学生と一緒に仕事をするのが大好きなので、それはますます大きくなりました!学生が私のところに来て、グループに参加することにとても興奮している場合、彼らは私たちの論文を読んでいて、それは素晴らしいと思っています。私たちと同じように、ノーと言うのは本当に難しいので、彼らをサポートする方法を見つけようとしています.
一定の規模を超えると、グループは自然に構造を形成し、新しい人々がグループに参加し、より上級の学生が彼らの傘下に入るという点で、ほとんど自立したものになります。ポスドクは大学院生と一緒に働いており、あなたはチームを組むことになります。そして、常に新しいものが登場するので、私はそれが大好きです。それはただの魔法です。
それは出現ですか?
それが登場です！登場です！グループが突然十分に大きくなり、人々の適切な組み合わせが得られると、以前は予想もしなかった方向性が明らかになり、驚くべきものになります.
編集者注:Glotzer は 2012 年に Simons Investigator に指名されました。
