东京大学的最新研究表明，致密的大肠杆菌具有与胶体玻璃相似的几个特性。胶体是由悬浮在液体中的小颗粒组成的物质，例如墨水。当这些颗粒的密度变高并更加紧密地聚集在一起时，它们会形成“玻璃态”。当研究人员在密闭空间内繁殖大肠杆菌时，他们发现它们表现出相似的特性。更令人惊讶的是，它们还表现出一些通常不存在于玻璃态材料中的独特性质。这项研究有助于我们了解玻璃态“活性物质”，这是一个相对较新的材料研究领域，跨越了物理学和生命科学。从长远来看，研究人员希望这些结果将有助于开发具有新功能的材料，并帮助我们了解生物膜(微生物粘在一起在表面形成层)和天然细菌群落。
黄油、肥皂和墨水有什么共同点?它们的味道当然不全都是好的，但它们都是胶体，是由悬浮在液体中的颗粒组成的物质。当颗粒浓度低时，物质会更液态，当颗粒浓度高时，物质会变得更固态(想像一下干涸的墨水瓶)。当发生这种情况时，物质会进入玻璃状态，颗粒的运动受到限制。然而，虽然它可能摸起来很硬，但与其他固体不同，颗粒不会形成固定的图案，而是随机混杂在一起。这类似于玻璃的分子结构。
研究人员现在发现，大肠杆菌也能表现出类似的行为。“由于细菌与我们所知的玻璃截然不同，令人惊讶的是，许多玻璃材料的统计特性与细菌相同，”理学研究生院物理学系副教授 Kazumasa Takeuchi 说。“然而，更让我们惊讶的是，深入分析不仅揭示了与玻璃标准特性的相似性，还揭示了其他超出此范围的特性。我们的研究结果要求我们扩展对玻璃物理学的现有理解。”
竹内十多年前在另一项研究中观察了细菌的行为，这激发了他开展这项实验的灵感。当时，他发现当细菌群变得非常密集时，它们会突然停止移动，他想了解其中的原因。
主要的挑战是创造一个环境，让细菌能够平等地生长和繁殖，形成一个密集的种群。为了实现这一点，该团队使用了他们之前开发的一种装置，使他们能够通过多孔膜将营养物质均匀地分配给所有细菌。然后，研究人员在 5-6 小时内用显微镜观察了这些细菌。
随着大肠杆菌数量的增加，它们被邻居关在笼子里，限制了它们自由游动的能力。随着时间的推移，它们转变为玻璃态。这种转变类似于玻璃形成，研究人员注意到运动速度迅速减慢、笼内效应和动态异质性(分子在某些区域移动距离更长，但在其他区域几乎不移动)。
这种细菌玻璃与其他类似玻璃的物质的不同之处在于“微区”的自发形成以及细菌在这些区域内的集体运动。这些发生在杆状大肠杆菌群以相同方式排列的地方。研究人员还惊讶地发现，细菌玻璃化(变成玻璃状状态)的方式显然违反了典型热系统的物理定律。我们通常所称的玻璃，包括胶体玻璃，被归类为热玻璃。然而，最近研究人员开始探索玻璃状态，如本文所报道的玻璃状态，它们不被视为热玻璃，但具有许多相同的特性。
“像我们在这里看到的‘自推进粒子’的集合最近被视为一种名为活性物质的新材料，这是目前的热门话题，具有巨大的潜力，”竹内解释说。“我们对细菌玻璃的研究结果正是沿着这条研究路线进行的，将这一概念扩展到玻璃材料领域。从长远来看，我们的研究结果可能有助于开发具有普通材料无法实现的一些功能的新型材料。”
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