Sharon Glotzer는 여러 가지 경력 이동 발견을 만들었습니다. 각각은“세상을 바라 보는 방식을 완전히 바꾸는 종류”라고 그녀는 말했습니다.“와우, 나는 이것을 따라야합니다.”
.앤아버에있는 미시간 대학교 (University of Michigan)의 3 개 부서에 걸쳐 번성하는 33 명 연구 그룹을 이끌고있는 이론적 소프트 응축 물리학자는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 출현을 연구합니다.이 현상은 단순한 물체가 놀라운 집단 행동을 일으킨다. 그녀는“Starlings의 무리가 하늘 에서이 놀라운 패턴을 만들 때, 실제가 아닌 것처럼 보이고, 끊임없이 변화하는 방식 - 사람들이 지구상에 있었기 때문에 사람들이 그 패턴을보고 있습니다.”라고 그녀는 말했습니다. “그러나 최근에야 과학자들은 질문을 시작했습니다. 어떻게해야합니까? 새들이 어떻게 청사진을 따르는 것처럼 보이도록 새들이 어떻게 의사 소통 하는가?”
Glotzer는 미세한 상호 작용과 배열에서 거시적 특성이 어떻게 나타나는지를 제어하는 기본 원칙을 찾고 있습니다. 1990 년대 후반 메릴랜드 게이 더스 버그에있는 국립 표준 기술 연구소 (National Institute of Standards and Technology)의 젊은 연구원이었던 1990 년대 후반에 큰 돌파구가 나왔습니다. 그녀와 그녀의 팀은 유리로의 전환에 접근하는 액체의 가장 초기적이고 최고의 컴퓨터 시뮬레이션을 개발했습니다. 시뮬레이션은 콩가 라인과 같은 좌절 된 재료를 통해 활공하는 빠르게 움직이는 원자의 문자열을 드러 냈습니다. 나중에 과립 시스템, 군중 및 교통 체증에서도 비슷한 흐름 패턴이 관찰되었습니다. 결과는 시뮬레이션이 출현 현상을 밝히는 능력을 보여 주었다.
2009 년에 Glotzer와 Michigan의 그룹이 장애와 일반적으로 상충되는 개념 인 엔트로피가 실제로 사물을 조직 할 수 있음을 발견 한 2009 년에 최근의“와우”순간이 일어났습니다. 그들의 시뮬레이션은 엔트로피가 테트라 헤드 라 (Tetrahedra)라고 불리는 간단한 피라미드 모양을 구동하여 자발적으로 준 결정으로 조립되는 것으로 나타났습니다. 이 발견은 복잡성과 질서의 출현에서 엔트로피가하는 강력하고 역설적 인 역할의 첫 번째 표시였습니다.
최근 Glotzer와 Company는 그녀가 "Digital Alchemy"라고 부르는 것에 관여 해 왔습니다. 재료 과학자가 특정 구조 나 재료를 만들고 싶다고 가정 해 봅시다. Glotzer 팀은 미세한 빌딩 블록의 모양을 원하는 형태로 조립할 수 있습니다. 그것은 현대에만 금을 휘젓는 것과 같습니다. 현대에만 탐욕스러운 물질은 콜로이드 크리스탈 또는 거대 분자 조립 일 수 있습니다.
.Glotzer는 궁극적으로 출현을 지배하는 규칙을 찾습니다. 자체 조립 정적 결정, 결정화 단백질 또는 간단한 전구체에서 자발적으로 발생하는 살아있는 세포를 설명하기위한 단일 프레임 워크. 그녀는 Quanta Magazine 와 유레카 스터드 경로를 논의했습니다 2 월; 인터뷰의 응축 및 편집 버전이 다음과 같습니다.
Quanta Magazine :유명한 에 대해 알려주세요 2009 자연 종이 자체 조립을 엔트로피와 연결했습니다.
Sharon Glotzer :물 수영장에 야구를했다고 상상해보십시오. 수영장과 정확히 밀도가 같아서 침몰하지 않았고, 떠 다니지 않았고, 방금 정지되어 방금 멈췄다 고 상상해보십시오. 그런 다음 모두 함께 제한하려고합니다. 자기 조립은 야구가 자발적으로 자발적으로 인식 가능한 패턴으로 조직 될 때 일어나는 일입니다. 그리고 입자가 완벽하게 단단하고 다른 상호 작용이 없다면, 그들은 가능한 가장 높은 엔트로피를 갖도록 스스로를 조직 할 것입니다.
그래서 우리는이 사면체를 연구하고 있었고, 가장 간단한 플라톤 고체-가장 간단한 3 차원 모양입니다. 이 던전 &드래곤 주사위. 나는 엔트로피를 기반으로 서로를 어떻게 배열하고 싶어하는지 보는 것이 흥미로울 것이라는 점을 가지고 있었는데, 그들은 그들 사이에 직접적인 상호 작용이 없다는 것을 의미합니다. 그들은 함께 붙잡고 싶지 않았습니다. 요금이 없습니다. 아무것도 없습니다. 엔트로피가 있습니다. 그러나 나는 얼마나 흥미로운 지 전혀 몰랐습니다. 나는 그들이 한 종류의 구조물을 형성 할 것이라는 잉크가 없었습니다.
당신은 사면체가 준 결정으로 구성되어 있음을 보여주었습니다. 사람들은 일반적으로 엔트로피를 늘리는 법칙을 지저분하게하는 경향으로 이해하지만 엔트로피가 주문으로 이어진다 고 말합니다. 왜 그 역설이 아닌가?
당신은 그것이 완전히 반 직관적이라는 것이 절대적으로 옳습니다. 우리는 일반적으로 엔트로피가 장애를 의미한다고 생각하므로 무질서한 구조는 순서대로 구조보다 더 많은 엔트로피를 가질 것입니다. 특정 상황에서는 사실 일 수 있지만 항상 사실은 아니며 이러한 경우에는 그렇지 않습니다. 엔트로피를 옵션과 관련된 것으로 생각하는 것을 선호합니다. 입자 시스템이 스스로 배열 해야하는 옵션이 많을수록 엔트로피가 높아집니다. 특정 상황에서는 시스템을 주문한 경우 시스템이 빌딩 블록의 더 많은 옵션 (더 많은 가능한 배열)을 가질 수 있습니다.
입자가 흔들리는 공간의 양을 최대화하려고 시도하는 것은 흔들릴 수 있다면 위치와 방향을 재정렬 할 수 있습니다. 위치가 많을수록 옵션이 많고 엔트로피가 많을수록. 그래서 당신은이 야구를 물 속에서 상상합니다. 그들은 번역, 회전 - 주위를 돌아 다니고 있습니다. 그들은 물 분자의 열 운동 때문에 흔들리고 있습니다. 그리고 이러한 시스템이 원하는 것은 입자를 충분히 공간으로하여 모든 입자가 사용할 수있는 흔들림 공간을 최대화하는 것입니다. 입자 모양에 따라 매우 복잡한 배열로 이어질 수 있습니다.
따라서 사면체와 야구와 같은 입자는 상태로 진화하여 더 많은 방법으로 흔들릴 수 있도록하여 엔트로피가 더 높습니다. 사람들은 엔트로피에서 주문을받을 수 있다는 것을 알고 있었습니까?
엔트로피만으로는 혈소판과 막대와 같은 입자와 구형 입자가 정렬 될 수있는 것으로 알려져 있지만, 주문 된 단계는 매우 간단했습니다. 실제로 조직의 중요한 원동력으로 생각되지 않았습니다. 우리 가이 사면체 컴퓨터 실험을했을 때, 오늘날에도 여전히 누구나 본 것 중 가장 복잡한 엔트로로 안정화 된 구조를 얻었을 때 사람들이 이것을 바라 보는 방식을 실제로 바꿔 놓았습니다.
그래서 우리 그룹은 태양 아래의 모든 모양을 연구하기 시작했습니다. 우리는 방금 컴퓨터에 모든 종류의 볼록 모양을 던지기 시작했고, 우리는 계속해서 결정 구조를 계속 얻었습니다. 2012 년에 우리는 Science 의 논문을 발표했습니다 우리는 145 개의 서로 다른 모양을 연구하고 그 중 101 명이 일종의 복잡한 결정에 자기 조립 된 것으로 나타났습니다. 그 이후로, 우리 그룹은 수만 개의 다른 모양을 해왔습니다. 우리는 그 안에 50,000 모양의 한 논문을 출판했습니다.
당신이 알아내는 것들 중 일부는 무엇입니까?
내가 지금 후에 질문의 종류는 다음과 같습니다. 알려진 모든 결정 구조의 전체 데이터베이스가 있습니다. 그리고 이러한 모든 "공간 그룹"은 이러한 모든 다른 대칭 작업에 순종 할 수있는 구조 [구조를 변경하지 않는 회전 및 번역]을 의미합니다. 그 중 수백 명이 있습니다. 엔트로피만으로 그들 모두를 얻을 수 있습니까? 콜로이드 입자 (젤에서 찾을 수있는 것과 같은)를 사용하면 상호 작용이 없어도 이미 50 개의 알려진 공간 그룹을 얻을 수있었습니다. 엔트로피만으로 불가능한 것이 있습니까? 그렇다면 왜? 우리는 또한 모양의 혼합물을보기 시작했습니다. 우리는 복잡한 미친 모양과 오목한 모양에 대해서도 이야기하지 않았습니다. 그렇다면 엔트로피만으로 얼마나 멀리 갈 수 있습니까? 그리고 여러 가지 방법으로 같은 구조를 형성 할 수 있다는 것은 무엇을 의미합니까? 물질 조직에 대해 이해하는 것이 훨씬 더 근본적인 것이 있으며, 모양과 엔트로피에 중점을 두어 우리는 그 핵심에 도달하고 있습니다.
.우리가 주목 한 것 중 하나는 몇 가지 설계 규칙이 있다는 것입니다. 예를 들어, 폴리 히드라에 크고 평평한면이있을 때는면이 서로 마주 치도록 정렬하려고합니다. 이로 인해 더 많은 흔들림 공간이 있고 입자를 배열하는 더 많은 방법을 제공하기 때문입니다. 그러나 크기가 다르게 많은 측면이 있다면 예측하기가 더 어렵습니다. 순서대로 유리 시스템이나 방해받은 시스템으로 끝날 수 있습니다.
지난 몇 년 동안, 당신은 뒤로 일하기 시작했습니다.
우리는 기본적으로 컴퓨터에서 연금술을하고 있습니다. 고대 연금술사들은 요소를 변형시키고 금으로 이끌고 싶었습니다. 그러나 특정 구조를 가지고 있고 구조를 얻을 수있는 가장 좋은 모양이 어떤 형태인지 알고 싶다고 상상해보십시오. 그것이 많은 자료 과학자들이 지금하고있는 일입니다. 문제를 머리에 돌리려고 노력하고 있습니다. 이 "역 디자인"접근법은 예를 들어 화합물을 스크리닝하거나 단백질 결정을 찾는 방식과 다릅니다. 이 경우 시뮬레이션 후 시뮬레이션 후 시뮬레이션을 수행합니다. 시뮬레이션 후 수많은 분자를 실행하고 말하기 :어느 것이 내가 원하는 것을 제공합니까?
역 디자인은 더 전략적입니다. 우리는 대상 구조로 시작하여 통계적 열역학을 사용하여 설계 문제를 해결하는 입자를 찾습니다. 우리가 한 것은 우리는 이러한 종류의 시뮬레이션이 일반적으로 형상을 변수로 포함하도록 수행되는 방식을 확장했습니다. 이제 우리는 시뮬레이션에서 빌딩 블록의 모양을 즉석에서 바꾸고 시스템이 가장 좋은 것을 알려 주도록 단일 시뮬레이션을 수행 할 수 있습니다. 따라서 수천 개의 시뮬레이션을 실행하는 대신 하나를 실행하고 시스템에 알려줄 수 있습니다. 원하는 구조에 가장 적합한 빌딩 블록은 무엇입니까? 그래서 나는 그것을 디지털 연금술이라고 부릅니다.
당신은 또한 에 대해 생각했습니다 엔트로피는 생명의 기원에서 역할을했을 수도 있습니다 .
대부분의 과학자들은 순서를 갖기 위해서는 화학적 결합이 필요하다고 생각합니다. 상호 작용이 필요합니다. 그리고 우리는 당신이 그렇지 않다는 것을 보여주었습니다. 당신은 단지 당신이 그들을 충분히 제한한다면, 자기 조직을 구성 할 수있는 물건을 가질 수 있습니다. 그래서 당신이 다음의 질문에 가면 :물건의 첫 번째 자기 조직은 무엇이며 어떻게 일어 났습니까? 당신은 당신이 물이있는 바위 에이 작은 미세한 틈새를 가지고 있다고 상상할 수 있었고, 그곳에 분자가 있었는데, 내가 묘사 한 이유와 정확히 정확히 엔트로피로 인해 스스로 조직 할 수 있다는 분자가있었습니다. 따라서 삶에 대해 생각하고 복잡성을 높이는 완전히 다른 방법입니다. 그것들은 서로 호환되지만 이것은 단지 말하는 것입니다. 나는 이것을했기 때문에 많은 물체를 가져 와서 작은 액적에 넣고 액적을 조금 줄이면이 물건들이 자발적으로 정리 될 수 있다는 것을 알고 있습니다. 아마도 그 현상은 삶의 기원에서 중요 할 것입니다. 나는 그것이 고려되지 않았다고 생각합니다.
언제 출현에 처음 매료 되었습니까?
보스턴 대학교 대학원에 갔을 때 실험 실험실에 합류했습니다. 나는 일년 내내 기본적으로 스퍼터링 챔버를위한 플랜지를 설계하는 데 보냈다. 나는 영감을 얻지 못했습니다. 나는 퍼즐을 좋아하고, 컴퓨터를 좋아하고, 수학을 좋아합니다. 어느 날 진공 펌프가 나에게 날아 갔고 나는 펌프 오일로 덮여있었습니다. 그리고 나는 실험실에서 나왔고, Gene Stanley 교수는 나를보고“당신은 이론가처럼 보인다. 나에게 얘기하라.” 하루가 끝날 무렵 나는 그의 그룹을 전환하고 합류했으며, 내가 한 가장 인생을 바꾸는 결정 중 하나였습니다. Stanley와 함께, 나는 위상 분리 중합체 혼합물의 동역학을 연구하고있었습니다. 예를 들어, 폴리머가 서로 붙어 있거나 연결되면 어떻게되는지보고있었습니다. 경쟁하는 원동력이있을 때 어떤 종류의 구조를 얻을 수 있습니까? 폴리머가 분리되기를 원하는 구조와 혼합하기를 원하는 건축물은 무엇입니까? 그로부터 어떤 출현 현상이 있습니까? 그 당시 나는 그 언어를 사용하여 그것을 설명하지 않았지만, 그때는 단순한 것들에서 나오는 예측할 수없는 출현 복잡성이라는이 아이디어를 좋아한다는 것을 알았습니다.
.당신은 (마지막으로) 27 명의 대학원생, 6 명의 박사후 과정 및 지원 직원을 감독합니다. 그것은 다소 많습니다.
나는 두 개로 시작했다. 그런 다음 나는 4 명을 가졌다. 시간이 지남에 따라 학생들과 함께 일하는 것을 좋아하기 때문에 더 커지고 커졌습니다! 학생이 나에게 와서 그룹에 참여하게되어 매우 기뻐할 때, 그들은 우리의 논문을 읽었고, 그들은 우리의 논문을 읽었으며, 그것이 굉장하다고 생각하며, 그들이 우리와 같은 괴물이라는 것을 분명히 만드는 것이 있습니다. 나는 정말로 거절하기 때문에 정말 힘들기 때문에 그들을 지원할 수있는 방법을 찾으려고 노력합니다.
.일단 당신이 특정 크기를 넘어선 후에 당신의 그룹은 자연스럽게 구조를 개발하고, 새로운 사람들이 그룹에 와서 더 많은 노인 학생들이 날개 아래로 데려가는 것은 거의 자립이됩니다. 박사후 업체는 대학원생들과 협력하고 있으며 결국 팀이 있습니다. 그리고 나는 항상 그것을 좋아합니다. 항상 새로운 것들이 나오기 때문입니다. 마법입니다.
그게 출현입니까?
그것은 출현입니다! 출현입니다! 그룹이 갑자기 충분히 커지고 당신이 올바른 사람들의 혼합을 가지고있을 때, 내가 전에 예상하지 못했던 몇 가지 방향이 놀랍습니다.
.편집자 주 :Glotzer는 2012 년 Simons 수사관으로 선정되었습니다.
