We study experimentally and numerically a (quasi-)two-dimensional colloidal suspension of self-propelled spherical particles. The particles are carbon-coated Janus particles, which are propelled due to diffusiophoresis in a near-critical water-lutidine mixture. At low densities, we find that the driving stabilizes small clusters. At higher densities, the suspension undergoes a phase separation into large clusters and a dilute gas phase. The same qualitative behavior is observed in simulations of a minimal model for repulsive self-propelled particles lacking any alignment interactions. The observed behavior is rationalized in terms of a dynamical instability due to the self-trapping of self-propelled particles.

Activity and autonomous motion are fundamental in living and engineering systems. This has stimulated the new field of 'active matter' in recent years, which focuses on the physical aspects of propulsion mechanisms, and on motility-induced emergent collective behavior of a larger number of identical agents. The scale of agents ranges from nanomotors and microswimmers, to cells, fish, birds, and people. Inspired by biological microswimmers, various designs of autonomous synthetic nano- and micromachines have been proposed. Such machines provide the basis for multifunctional, highly responsive, intelligent (artificial) active materials, which exhibit emergent behavior and the ability to perform tasks in response to external stimuli. A major challenge for understanding and designing active matter is their inherent nonequilibrium nature due to persistent energy consumption, which invalidates equilibrium concepts such as free energy, detailed balance, and time-reversal symmetry. Unraveling, predicting, and controlling the behavior of active matter is a truly interdisciplinary endeavor at the interface of biology, chemistry, ecology, engineering, mathematics, and physics. The vast complexity of phenomena and mechanisms involved in the self-organization and dynamics of motile active matter comprises a major challenge. Hence, to advance, and eventually reach a comprehensive understanding, this important research area requires a concerted, synergetic approach of the various disciplines. The 2020 motile active matter roadmap of Journal of Physics: Condensed Matter addresses the current state of the art of the field and provides guidance for both students as well as established scientists in their efforts to advance this fascinating area.

We study the motion of an overdamped colloidal particle in a time-dependent non-harmonic potential. We demonstrate the first law-like balance between applied work, exchanged heat, and internal energy on the level of a single trajectory. The observed distribution of applied work is distinctly non-Gaussian in good agreement with numerical calculations. Both the Jarzynski relation and a detailed fluctuation theorem are verified with good accuracy.

The kinetic separation of repulsive active Brownian particles into a dense and a dilute phase is analyzed using a systematic coarse-graining strategy. We derive an effective Cahn-Hilliard equation on large length and time scales, which implies that the separation process can be mapped onto that of passive particles. A lower density threshold for clustering is found, and using our approach we demonstrate that clustering first proceeds via a hysteretic nucleation scenario and above a higher threshold changes into a spinodal-like instability. Our results are in agreement with particle-resolved computer simulations and can be verified in experiments of artificial or biological microswimmers.

Using Brownian dynamics computer simulations, we show that a two-dimensional suspension of self-propelled (''active'') colloidal particles crystallizes at sufficiently high densities. Compared to the equilibrium freezing of passive particles, the freezing density is both significantly shifted and depends on the structural or dynamical criterion employed. In nonequilibrium the transition is accompanied by pronounced structural heterogeneities. This leads to a transition region between liquid and solid in which the suspension is globally ordered but unordered liquidlike ``bubbles'' still persist.

Active fluids composed of constituents that are constantly driven away from thermal equilibrium can support spontaneous currents and can be engineered to have unconventional transport properties. Here, we report the emergence of (meta)stable traveling bands in computer simulations of aligning circle swimmers. These bands are different from polar flocks and, through coupling phase with mass transport, induce a bulk particle current with a component perpendicular to the propagation direction, thus giving rise to a collective Hall (or Magnus) effect. Traveling bands require sufficiently small orbits and undergo a discontinuous transition into a synchronized state with transient polar clusters for large orbital radii. Within a minimal hydrodynamic theory, we show that the bands can be understood as nondispersive soliton solutions fully accounting for the numerically observed properties.

Abstract Phasenübergänge zwischen unterschiedlichen Aggregatzuständen sind in Natur und Technik allgegenwärtig. Üblicherweise schmilzt ein Kristall, wenn er erwärmt wird. Daher nutzen wir Eis, um einen Drink zu kühlen. Bereits im Jahre 1903 spekulierte Gustav Tammann über den umgekehrten Prozess des Schmelzens durch Kühlen. Bisher gibt es allerdings nur sehr wenige Beispiele für solche “inversen” Phasenübergänge, die meist auch auf extreme Bedingungen beschränkt sind. Hier zeigen wir einen inversen Phasenübergang von adsorbierten Molekülen auf einer Oberfläche. Molybdänacetat bildet bei Zimmertemperatur eine geordnete Struktur auf der (111)‐Oberfläche von Kupfer, die sich beim Kühlen auflöst. Dieser Übergang entsteht dadurch, dass die Moleküle mobil werden, d. h., wir beobachten die Mobilisierung durch Kühlen. Dieses unerwartete Phänomen kann durch die große Zahl an internen Freiheitsgraden der geordneten Phase im Vergleich zur mobilen Phase erklärt werden.

Understanding the condensation and aggregation of intrinsically disordered proteins in a non-equilibrium environment is crucial for unraveling many biological processes. Enzymes catalyse many processes by consuming chemical fuels such as ATP. Enzymes called kinases phosphorylate disordered regions of proteins and thus profoundly affect their properties and interactions. Protein phosphorylation is implicated in neurodegenerative diseases and may modulate pathogenesis. How protein sequence and molecular recognition of a disordered protein by kinases determine phosphorylation patterns is not understood. In principle, molecular dynamics simulations hold the promise to resolve how phosphorylation affects disordered proteins and their assemblies. In practice, chemically-detailed simulations of enzymatic reactions and the dynamics of enzymes are highly challenging, in particular it is difficult to verify whether implementations of driven simulations are thermodynamically consistent. We can now address this problem with residue-level coarse-grained molecular dynamics simulations, integrating Metropolis Monte Carlo steps to model chemical reactions. Importantly, we show how to verify by Markov-state modeling that the realisation of a non-equilibrium steady state satisfies local-detailed balance. We investigate TDP-43 phosphoryla- tion by the kinase CK1δ in simulations, examining patterns of phosphorylation and assessing its preventive role in chain aggregation, which may be a cytoprotective mechanism in neurodegenerative diseases. We find that the degree of residue phosphorylation is determined by sequence preference and charges, rather than by the position in the chain. The phosphorylation frequency is also affected by the phosphorylation patterns, since the interactions between CK1δ and TDP-43 actively change after each reaction. For TDP-43, our simulations show condensates dissolution through phosphorylation with kinases binding to the condensates and phosphorylating TDP-43 in the condensates.

Abstract The shape of biological matter is central to cell function at different length scales and determines how cellular components recognize, interact and respond to one another. However, their shapes are often transient and hard to reprogramme. Here we construct a synthetic cell model composed of signal-responsive DNA nanorafts, biogenic pores and giant unilamellar vesicles (GUVs). We demonstrate that reshaping of DNA rafts at the nanoscale can be coupled to reshaping of GUVs at the microscale. The nanorafts collectively undergo reversible transitions between isotropic and short-range local order on the lipid membrane, programmably remodelling the GUV shape. Assisted by the biogenic pores, during GUV shape recovery the locally ordered DNA rafts perforate the membrane, forming sealable synthetic channels for large cargo transport. Our work outlines a versatile platform for interfacing reconfigurable DNA nanostructures with synthetic cells, expanding the potential of DNA nanotechnology in synthetic biology.

We investigate the structural and dynamic properties of active Brownian particles (APs) confined within a soft annulus-shaped channel. Depending on the strength of the confinement and the Péclet number, we observe a novel reentrant behavior that is not present in unconfined systems. Our findings are substantiated by numerical simulations and analytical considerations, revealing that this behavior arises from the strong coupling between the Péclet number and the effective confining dimensionality of the APs. Our work highlights the peculiarities of soft boundaries for APs and how clogging can be avoided under such conditions.